化工自动控制过程中气动调节阀的选择与应用

化工自动控制过程中气动调节阀的选择与应用 

    摘要 阐述了在化工自动控制过程中气动调节阀的地位以及对一定的控制过程。为了实现高品质的调节，怎样从优选择调节阀的流量特性和各项技术参数。

    关键词：自动控制过程 气动调节阀 流量特性 调节阀流通能力     

１ 前言     

在化工生产和自动控制领域中，一个工艺控制过程是否能满足各项工艺控制指标，控制过程是否平稳；超调量，衰减比，扰动是否在规定的范畴之内；是否稳、快、准，除了工艺设计合理，设备先进外，重要的一点就是调节阀是否能根据主体控制意识而动作，使过程主体的控制意识体现为物料能量和流量变化，如图１所示。     

在众多的化工自动控制过程中，就是因调节阀质量不过关，流量特性差，渗漏大，动作不可靠而使自动控制过程失去了高品质调节，或者调节品质差，有甚者失去了调节作用，而给生产带来了重大的经济损失，增加了劳动强度。调节阀的选择与应用越来越被人们所重视。

图1 典型过渡过程控制曲线     

２ 气动调节阀的流量特性     

２．１ 调节阀的可调比     

我们用可调比来衡量调节阀的调节控制能量，当调节阀两侧的差压为定值时，调节阀所能控制的*大流量qmax 和*小流量ｑmin之比，或所能控制的*大流通能力Ｃmax和*小流通能力Ｃmin 之比，称为调节阀的可调比Ｒ。     

２．２ 压降比Ｓ对串联、并联管路调节阀的影响     

２.２.１ 压降比Ｓ     调节阀的压降比定义为该调节阀可控制的*大流量所对应阀门前后的差压面△Pmin和系统总差压△Ｐ之比；     当调节阀用于串联管路时，实际的可调比为：，如图2 、图3 所示。 图2 调节阀串联

图3 S对串联管路可调比影响       图4、图5为直线阀和等百分比阀在串联管路中随S畸变特性。 图4 直线阀随畸变特性

图5 等百分比特性随S畸变特性     

2.2.3 S对并联管路中调节阀的影响

    

当调节阀用于并联管路时，该并联管路总管流量qt分为两路：一路是调节阀控制流量qc，另一路是旁路流量qb，qt=qc＋qb。实际上，由于旁路流量的分流，调节阀的实际可调比下降了，旁路阀门开得越大，调节阀的控制能力越小。旁路程度恰好说明了这个问题。旁路程度X为

    调节阀在并联管路中实际可调比随着旁路程度X值的减小而迅速降低，在使用中应尽量不开旁路门。如图6，图7所示。

国6 调节阀并联作用

图7 x对实际可调比的影响旁路程度     图8、图9为关联管路中直线阀、等百分比阀随X畸变特性

图8 X对直线阀畸变特性

图9 X对等百分比阀畸变特性

2．3 调节间的流量特性

2.3.1 调节阀的理想流量特性    

 调节阀的理想流量特性是指被调介质流过调节阀相对流量与阀门相对开度之间的关系。在调节阀前后压差不变的条件下，其流量特性是理想流量特性。常用的调节阀的理想流量特性有直线、等百分比、快开特性和抛物线四种特性，如图10所示。

图10 四种调节阀理想流量特性 其中:q----在某一开度时刻通过调节阀的流量       

qmax----阀全开时通过阀门的流量

      l----阀门某一开度下的行程（mm）       L----阀门的全行程（mm）

2.3.2 调节阀的工作流量特性     

在实际生产中管道系统除了调节阀外还有其它的串联或并联管道。因此，在生产中调节阀前后的差压通常是变化的，在这种情况下相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性，如表一所示。

表一 调节阀特性

线性阀	等百分比阀	抛物线阀
1.  在小开度时流量变化大，而大开度流量变化小。    2. 小负荷时调节性能过于灵敏而产生振荡，大负荷时，调节迟缓而不及时。    3. 适用性较小。	1. 每改变单位行程引起的流量变化的百分率是相等的。     2. 使用等百分比调节阀在全行程范围内工作都比较平稳，尤其在大开度时，放大倍数也大，工作更为灵敏有效。     3. 应用广泛，适应性强。	1. 其特性介于线性和等百分比特性之间，即是一条抛物线，即流量与行程的平方成正比。     2. 调节性能较为理想，但阀芯加工制作比较困难。

3 调节阀的流通能力     所谓调节阀的流通能力C是指调节阀全开时，单位时间内通过调节阀的流体体积和质量，它反映了调节阀的流量特性c值在一定的条件下可定义为：在调节阀前后差压为100KPa，水的密度为1000kg／m(立方)的条件下，每小时通过阀门水的立方米数。部分国产调节阀流通能力C值如表二所示。 表二 调节阀的流通能力C值表

公称直径Dg(mm)	阀门直径dg(mm)	流通能力(m(立方)/h)
		单座阀	双座阀
G3/4''	3	0.08
	4	0.12
	5	0.2
	6	0.32
	7	0.5
	8	0.8
20	10	1.2
	12	2
	15	3.2
	20	5
25	26	8	10
32	32	12	16
40	40	20	25
50	50	32	40
65	66	50	63
80	80	80	100
100	100	120	160
125	125	200	250
150	150	280	400
200	200	450	630
250	252		1000
300	303		1600

4 气动调节阀的选用       

4．1 调节阀类型的选择

    

主要是根据现场被控工艺介质的特点、控制要求、安装环境等结合调节阀本身的流量特性和结构而进行选用，如表三所示。

表三 调书阀应用特性

直通单座阀	直通双座阀	角形阀	蝶阀	隔膜阀	阀体分离阀	三通阀	凸轮挠曲阀	套筒阀
结构简单，装配方便，泄漏小，但受流体冲击不平衡力大。适用于小口径Dg≤25mm 的场合。	受流体冲击不平衡力影响小，但关不严渗漏较大，适用于大口径管道的场合。	角形阀的阀体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高、有悬浮物和颗粒物的流体尤为适用，并且调节稳定性较好。	流阻小，适用于低差压大流量的气体及含有固体悬浮物的介质，通常流量特性与等百分比相似。	用于强腐蚀性粘度高带悬浮物或带纤维的 介 质，但不耐高温和 高 压。	用于强腐 蚀性介质，但不耐高 压和高温。	适用于介质三个方向的流 通。分三通合流阀和三通分流阀。对于三个系统的分合流控制非常有效。属新型结构阀。	属新型结构阀，阀体为直通型阀阻小 密封性好，可调节，通用性强，对于粘度大如泥浆、石灰介质的调 节非常有效。	新型结构阀，不平衡力小，可调性能好，通用性强、因维护方便而广泛用于生 产之中，特别是高温高粘 度，含颗粒结构的介质调节。

    在选用调节阀时还应考虑上阀盖的形式和所用的填料。当使用工作温度为-20～十250℃时，只需采用普通的结构；当工作温度为-60～十450℃应采用阀盖上有多层散热片的散热结构。还有波纹管的波纹室封密阀盖主要用于剧毒、易挥发、易渗透等重要介质的场合。     调节阀常用的密封填料有聚四氟乙烯和石棉绳填料，虽然前者比后者昂贵但密封效果却好得多。     气开、气关式调节阀的选择应根据当气源信号压力中断时，调节阀处于打开或关闭的位置对工艺生产造成危害性大小而定。若阀门处于打开位置时危害性小则选用气关式。动作过程：有气则关闭，无气则开启；若阀门处于关闭位置时危害性小则选用气开式，动作为有气则开，无气则关     

4.2 调节阀口径的选择

    

利用计算公式及有关的物质性图表计算出常用的流通能力C值，如表四所示。

表四 调节间C值计算表

流体	压差条件	计算公式	采用单位
液体			Q:体积流量 m(立方)/h M:质量流量 kg/h △P:阀门前后压差 KPa p:液体密度 kg/cm(立方)
气体			QN:气体流量 m(立方)/h pN:气体密度 kg/m(立方) T:阀前气体*温度 K △P:调节阀前后压差 KPa P1 P2:调节阀前后压力 KPa
			Z:气体的压缩因素,可查有关图表
蒸汽			Ms:蒸汽的质量流量 kg/h △P:阀前后的差压值 KPa P1 P2:调节阀前后压力 KPa K:蒸汽修正系数
			△t:过热蒸汽温度

      调节阀口径的选择应遵循以下原则     

1.根据所选择的C值和流量特性，验证调节阀开度是否合适。一般阀的开度为全行程的90％～10％，即验算

其中：Cmax——工艺提出的*大流通能力； Cmin——工艺提出的*小流通能力。     流量的比值是否小于所选调节阀的实际可调范围，即验算     其中：Qmax，Qmin——*大开度和*小开度的流量；     △Pmax， △Pmin——*大开度及*小开度时调节阀的压差值。     

( 3) 一般情况下，等百分比阀*大流量对应的开度宜在90％，直线阀宜在70％，抛物线阀宜在80％，见表五。

表五 调节阀相对开度与相对流量的关系

特性↓	u%→	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
直线		8.16	13	22.7	32.3	42	51.7	61.3	71	80.6	90.4	100
等百分比		3.96	4.67	6.58	9.26	13	18.3	25.6	36.2	50.8	71.2	100
抛物线			7.3	12	13	26	35	45	62	70	84	100

    4.3 调节阀流量特性的选择     

(1)从调节系统的调节品质分析。

    

考虑原则：适当选择调节阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿调节阀对象放大系数的变化，使调节系统总的放大系数保持不变的控制效果，如图11所示。

图11 调节阀特性补偿作用     

（2）从工艺配管情况分析

    如前所述调节阀流量特性与S压降比有密切的关系，因此在选择调节阀时，应结合工艺配管情况加以考虑，见表六。

表六 调节阀工作流量特性配管情况对照表

配管情况	S=0.6-0.1			S=03.-0.6
实际工作特性	直线	平方根	等百分比	直线	平方根	等百分比
选阀的理想特性	直线	平方根	等百分比	等百分比	直线	等百分比

    （3）从负荷变化情况分析     

直线阀在小开度时流量变化大，调节过于灵敏，容易引起振荡，因此在S小负荷变化大的场合不宜使用；等百分比阀的放大系数随阀门行程增加而增大，流量相对变化是恒定不变的，因此它适用于负荷变化幅度大的场合；快开特性阀一般用于双位调节和程序控制的场合。