控制閥的理想流量特性

　　控制閥的理想流量特性

　　控制閥特性

　　可以使用各種類型的流動(dòng)特性。本教程討論了水和蒸汽流量應(yīng)用中使用的三種主要類型：快速打開(kāi)，線性和等百分比流量；它們?nèi)绾芜M(jìn)行比較，以及如何（以及為什么）將它們與使用它們的應(yīng)用程序進(jìn)行匹配。

　　流動(dòng)特性

　　所有控制閥都具有固有的流量特性，該特性定義了恒定壓力條件下“閥的開(kāi)度”與流量之間的關(guān)系。請(qǐng)注意，此處的“閥門(mén)打開(kāi)”是指閥塞相對(duì)于其緊靠閥座的關(guān)閉位置的相對(duì)位置。它不涉及節(jié)流孔通過(guò)區(qū)域?？卓谕ㄟ^(guò)面積有時(shí)被稱為“閥喉”，是閥塞和閥座之間的最窄點(diǎn)，流體可隨時(shí)通過(guò)該點(diǎn)。對(duì)于任何閥門(mén)，無(wú)論其特性如何，流量與孔口通過(guò)面積之間的關(guān)系始終成正比。

　　承受相同體積流量和壓差的任何尺寸或固有流量特性的閥都將具有完全相同的節(jié)流孔通過(guò)面積。但是，對(duì)于相同的通過(guò)面積，不同的閥門(mén)特性將給出不同的“閥門(mén)開(kāi)口”。比較線性閥和等百分比閥，對(duì)于一定的壓降和流量，線性閥可能有25％的閥開(kāi)度，而在完全相同的條件下，等百分比閥可能有65％的閥開(kāi)度。孔口通過(guò)面積將相同。

　　閥塞和閥座裝置的物理形狀（有時(shí)稱為閥門(mén)“修邊”）會(huì)導(dǎo)致這些閥門(mén)之間的閥門(mén)開(kāi)度不同。圖6.5.1對(duì)主軸操作的截止閥的典型閥內(nèi)件形狀進(jìn)行了比較。

　　在該模塊中，術(shù)語(yǔ)“閥升程”用于定義閥的開(kāi)度，無(wú)論閥是截止閥（旋塞相對(duì)于閥座的上下運(yùn)動(dòng)）還是旋轉(zhuǎn)閥（旋塞相對(duì)于閥座的橫向運(yùn)動(dòng)）。座位）。

　　旋轉(zhuǎn)閥（例如，球閥和蝶閥）均具有基本的特性曲線，但是更改球閥或蝶閥塞的細(xì)節(jié)可能會(huì)對(duì)此進(jìn)行修改。典型的截止閥和旋轉(zhuǎn)閥的固有流量特性在圖6.5.2中進(jìn)行了比較。

　　截止閥可以裝有不同形狀的塞子，每個(gè)塞子都有其自身固有的流量/開(kāi)啟特性。通常指定三種主要類型：

　　?快速打開(kāi)。

　　?線性。

　　?相等百分比。

　　這些示例及其固有特性的示例如圖6.5.1和6.5.2所示。

快速開(kāi)啟特性

　　快速打開(kāi)的特性閥芯會(huì)在從關(guān)閉位置起較小的閥升程中產(chǎn)生較大的流量變化。例如，氣門(mén)升程為50％可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)流孔通過(guò)面積，流量最高可達(dá)其最大電勢(shì)的90％。

　　使用這種類型的閥芯的閥有時(shí)被稱為具有“開(kāi)/關(guān)”特性。

　　與線性和等百分比特性不同，標(biāo)準(zhǔn)中未定義快速打開(kāi)曲線的確切形狀。因此，兩個(gè)閥，其中一個(gè)在50％升程時(shí)提供80％的流量，另一個(gè)90％升程時(shí)提供90％的流量，都可以視為具有快速打開(kāi)特性。

　　快開(kāi)閥往往是電動(dòng)或氣動(dòng)方式，用于“開(kāi)/關(guān)”控制。

　　自作用式控制閥的閥塞形狀往往類似于圖6.5.1中的快開(kāi)閥塞。閥芯位置響應(yīng)控制系統(tǒng)中液體或蒸氣壓力的變化。相對(duì)于受控狀態(tài)的細(xì)微變化，這種類型的閥芯的運(yùn)動(dòng)可能非常小，因此，該閥具有固有的高可調(diào)節(jié)性。因此，閥芯能夠產(chǎn)生較小的流量變化，因此不應(yīng)視為快速打開(kāi)的控制閥。

　　線性特性

　　線性閥芯的形狀應(yīng)使流量在恒定壓差下與閥升程（H）成正比。線性閥通過(guò)在氣門(mén)升程和節(jié)流孔通過(guò)面積之間具有線性關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的（見(jiàn)圖6.5.3）。

　　例如，在氣門(mén)升程為40％時(shí)，節(jié)流孔尺寸為40％可使40％的全流量通過(guò)。

　　等百分比特性（或?qū)?shù)特性）

　　這些閥具有閥塞形狀，因此閥升程的每次增加都會(huì)使流量增加前一流量的一定百分比。氣門(mén)升程與節(jié)流孔尺寸（以及因此的流量）之間的關(guān)系不是線性的，而是對(duì)數(shù)的，并且用數(shù)學(xué)公式6.5.1表示：

示例6.5.1

　　通過(guò)具有相同百分比特性的控制閥的最大流量為10m3/ h。如果閥門(mén)的調(diào)節(jié)比為50：1，并承受恒定的壓差，則通過(guò)使用公式6.5.1，將有多少量的閥門(mén)分別以40％，50％和60％的升程通過(guò)？

　　通過(guò)這種類型的控制閥的體積流量的增加，每等量增加閥運(yùn)動(dòng)就以相等的百分比增加：

　　閥門(mén)開(kāi)度為50％時(shí)，流量為1.414m3/ h，比閥門(mén)開(kāi)度為40％時(shí)的0.956m3/ h流量增加48％。

　　當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度為60％時(shí)，流量將達(dá)到2.091m3/ h，比閥門(mén)開(kāi)度為50％時(shí)的流量1.414m3/ h增加48％。

　　可以看出，在氣門(mén)升程增加10％的情況下（壓差恒定），通過(guò)控制閥的流量增加了48％。對(duì)于等百分比的閥門(mén)，量程比為50的情況總是如此。有興趣的是，如果閥門(mén)的量程比為100，則當(dāng)閥升程變化10％時(shí)，流量的增量增加為58％。

　　表6.5.1顯示了示例6.5.1中的等百分比氣門(mén)在量程為50且壓差恒定的情況下，流量變化如何在氣門(mén)升程范圍內(nèi)變化。

　　有時(shí)還會(huì)使用其他一些固有的閥門(mén)特性，例如拋物線形，改進(jìn)的線性或雙曲線形，但制造中最常見(jiàn)的類型是快速打開(kāi)，線性和等百分比。

　　使閥門(mén)特性與安裝特性相匹配

　　每種應(yīng)用都有獨(dú)特的安裝特性，可將流體流量與熱量需求聯(lián)系起來(lái)。閥上控制加熱流體流量的壓差也可能會(huì)變化：

　　在水系統(tǒng)中，泵的特性曲線意味著，隨著流量的減少，上游閥門(mén)的壓力會(huì)增加（請(qǐng)參見(jiàn)示例6.5.2和模塊6.3）。

　　在蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，故意改變控制閥上的壓降以滿足所需的熱負(fù)荷。

　　為某個(gè)應(yīng)用選擇的控制閥的特性應(yīng)導(dǎo)致閥的開(kāi)度與流量之間的直接關(guān)系，且應(yīng)盡可能多地通過(guò)閥的行程。

　　本節(jié)將考慮用于控制水和蒸汽系統(tǒng)的閥門(mén)特性的各種選擇。通常，線性閥用于水系統(tǒng)，而蒸汽系統(tǒng)在使用相同百分比的閥時(shí)往往會(huì)更好地運(yùn)行。

　　1.帶三通閥的水循環(huán)加熱系統(tǒng)

　　在恒定流量的水通過(guò)三通閥混合或分流到平衡回路的水系統(tǒng)中，閥上的壓力損失應(yīng)盡可能穩(wěn)定，以保持系統(tǒng)平衡。

　　結(jié)論

　　-這些應(yīng)用中的最佳選擇通常是具有線性特性的閥門(mén)。因此，安裝特性和固有特性總是相似且線性的，并且控制環(huán)路中的增益將受到限制。

　　2.鍋爐水位控制系統(tǒng)–帶兩通閥的水系統(tǒng)雙

　　通閥

　　在這種類型的系統(tǒng)中（圖6.5.6中顯示了一個(gè)示例），其中兩通進(jìn)水控制閥改變水的流量，控制閥上的壓降將隨流量而變化。這種變化是由于：

　　泵的特性。隨著流量的減少，泵和鍋爐之間的壓差增加（此現(xiàn)象在模塊6.3中進(jìn)行了詳細(xì)討論）。

　　管道的摩擦阻力隨流量而變化。失去摩擦頭的速度與速度的平方成正比。（此現(xiàn)象在模塊6.3中有更詳細(xì)的討論）。

　　鍋爐內(nèi)的壓力將根據(jù)蒸汽負(fù)荷，燃燒器控制系統(tǒng)的類型及其控制方式而變化。

例6.5.2在圖6.5.6中選擇給水閥并確定其尺寸

　　在一個(gè)簡(jiǎn)化的示例中（假設(shè)鍋爐中的壓力恒定且管道中的摩擦損耗恒定），鍋爐每小時(shí)額定產(chǎn)生10噸蒸汽。表6.5.2列出了鍋爐給水泵的性能特性，以及在最大流量需求為10m3/ h或更低時(shí)，各種流量下通過(guò)給水閥的總壓差（ΔP）。

　　注意：閥ΔP是泵的排出壓力與10 bar g的恒定鍋爐壓力之間的差。請(qǐng)注意，隨著給水流量的增加，泵的排放壓力將下降。這意味著給水閥之前的水壓也會(huì)隨著流量的增加而下降，這將影響壓降和通過(guò)閥的流量之間的關(guān)系。

　　從表6.5.2可以確定，從空載到滿載，泵的排放壓力下降約26％，但給水閥上的壓差下降幅度更大，為72％。如果在選型時(shí)不考慮閥兩端的下降壓差，則閥可能尺寸過(guò)小。

　　如模塊6.2和6.3所述，閥容量通常以Kv表示。更具體地，Kvs涉及在完全打開(kāi)時(shí)閥的通過(guò)面積，而Kvr涉及應(yīng)用程序要求的閥的通過(guò)面積。

　　考慮Kvs為10的全開(kāi)閥的通過(guò)面積是否為100％。如果閥門(mén)關(guān)閉，則通過(guò)面積為全開(kāi)通過(guò)面積的60％，則Kvr也是10 = 6的60％。這與閥門(mén)固有的特性無(wú)關(guān)。在每個(gè)開(kāi)口處流經(jīng)閥門(mén)的流量將取決于當(dāng)時(shí)的壓差。

　　使用表6.5.2中的數(shù)據(jù)，可以使用公式6.5.2得出每個(gè)增量流量和閥壓差所需的閥容量Kvr，該公式可從公式6.3.2中得出。表示安裝所需的實(shí)際閥門(mén)容量，如果將其繪制為所需的流量，則得出的圖表可以稱為“安裝曲線”。

在滿負(fù)載條件下，來(lái)自表6.5.2：

　　通過(guò)閥的所需流量= 10m3/ h

　　穿過(guò)閥的ΔP= 1.54 bar

　　來(lái)自公式6.5.2：

　　穿過(guò)閥的ΔP= 1.54 bar

　　來(lái)自公式6.5.2：bar

　　從表6.5.2中獲取閥流量和閥ΔP，可以從公式6.5.2確定每個(gè)增量的Kvr；這些都列在表6.5.3中。

繪制安裝曲線

　　對(duì)于此示例，8.06的Kvr滿足10 m3 / h的最大流量條件。

　　可以通過(guò)將流量與Kvr進(jìn)行比較來(lái)構(gòu)造安裝曲線，但是通常以百分比形式查看安裝曲線更為方便。這僅表示Kvr對(duì)Kvs的百分比，換句話說(shuō)，就是實(shí)際通過(guò)區(qū)域相對(duì)于完全開(kāi)放通過(guò)區(qū)域的百分比。

　　對(duì)于此示例：通過(guò)獲取任何負(fù)載下的Kvr與8.06的Kvs之比來(lái)構(gòu)造安裝曲線。Kvs為8.06的閥門(mén)將是“尺寸合適的”閥門(mén)，并且將描述安裝曲線，如表6.5.4所示，圖6.5.7所示。對(duì)于本示例，該安裝曲線可以認(rèn)為是大小合適的閥門(mén)的閥門(mén)容量。