2、控制閥流量特性解析解析

1、1控制閥流量特性解析控制閥的流量特性是控制閥重要技術(shù)指標(biāo)之一，流量 特性的偏差大小直接影響自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用單 位希望所選用的控制閥具有標(biāo)準(zhǔn)的固有流量特性，而控制 閥生產(chǎn)企業(yè)要想制造出完全符合標(biāo)準(zhǔn)的固有流量特性控制 閥是非常困難的，因直線流量特性相對簡單， 且應(yīng)用較少， 所以本文重點(diǎn)對等百分比流量特性進(jìn)行討論?？刂崎y的流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量與相 對行程之間的關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)式為Q/Qmax = f(l/L),式中:Q/Qmax相對流量。指控制閥在某一開度時(shí)的流量Q與全開流量Qmax之比；I/L相對行程。指控制閥在某一開度時(shí)的閥芯行程l與全開行程L之比一般來講，改變控制閥的流通

2、面積便可以控制流量。但實(shí)際上由于多種因素的影響，在節(jié)流面積發(fā)生變化的同2時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生閥前、閥后壓力的變化，而壓差的變化又將 引起流量的變化，為了便于分析，先假定閥前、閥后壓差 不變，此時(shí)的流量特性稱為理想流量特性。理想流量特性主要有等百分比 （也稱對數(shù)）、直線兩種 常用特性，理想等百分比流量特性定義為：相對行程的等 值增量產(chǎn)生相對流量系數(shù)的等百分比增加的流量特性，數(shù) 學(xué)表達(dá)式為Q/Qmax = R（l/L-1）。理想直線流量特性定義為：相對行程的等值增量產(chǎn)生 相對流量系數(shù)的等值增量的流量特性，數(shù)學(xué)表達(dá)式為Q/Qmax=1/R1+（R-1）l/L式中R固有可調(diào)比，定義為在規(guī)定偏差內(nèi)的最大流量系數(shù)

3、與最小流量系數(shù)之比。常見的控制閥固有可調(diào)比有30、50兩種。當(dāng)可調(diào)比R=30和R=50時(shí)，直線、等百分比的流量特性在相對行程10%100%時(shí)各流量值見表3表可調(diào)比相對行程%R10203040506070809010030等百分比4.68 6.589.251318.3 25.73650.6 71.2 100502.96 4.376.47 9.5614.1 20.930.9 45.7 67.6 10030直線1322.732.44251.7 61.37180.6 90.3 1005011.8 21.631.4 41.25160.870.6 80.4 90.2100由上表可以看出，直線流量特性在小開

4、度時(shí)，流量相對變 化大，調(diào)節(jié)作用強(qiáng)，容易產(chǎn)生超調(diào)，可引起震蕩，在大開 度時(shí)調(diào)節(jié)作用弱，及時(shí)性差。而等百分比流量特性小開度 時(shí)流量小，流量變化也小，在大開度時(shí)流量大，流量變化 也大，調(diào)節(jié)作用靈敏有效。由于上述原因，在實(shí)際工況中多數(shù)場合優(yōu)選等百分比流量特性。GB/T4213-2008氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥標(biāo)準(zhǔn)5.11.2條規(guī)定,4等百分比流量特性的斜率偏差：在相對行程h=0.10.9之間，任意相鄰流量系數(shù)測量值的十進(jìn)對數(shù)（lg）差值應(yīng)符合表二規(guī)定。表二可調(diào)比RIgKv n TgKv n-1h=0.20.8h0.8斜率偏差土30%斜率偏差+80%-30%斜率偏差30%-80%300.190.100.260.10

5、0.190.03500.220.120.300.120.220.03由表二可以看出當(dāng)相對行程h0.8不在遵守斜率偏差必須在土30%范圍內(nèi)，而是擴(kuò)大到了當(dāng)相對行程h0.8時(shí)，斜率偏 差可達(dá)叢，這樣在不影響自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能的前提下， 為控制閥生產(chǎn)制造單位的設(shè)計(jì)制造提供了方便。天津精通控制儀表技術(shù)有限公司的前身是天津市自動(dòng)化儀表四廠，在1985年將原JB17901795-76氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥標(biāo)準(zhǔn)中的流量特性偏差“單、雙座閥實(shí)際流量特性與理論流量特性之間偏差應(yīng)不超過土10%，（按1976年氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)當(dāng)相對行程增加10%時(shí)，相對流量不增加也定為合格產(chǎn)品的現(xiàn)象）改為流 量特性嚴(yán)格按照

6、斜率偏差土30%的要求執(zhí)行，歷時(shí)兩年多的 閥芯修正也只能保證理想直線特性各點(diǎn)合格率為98%,理想等百分比特性各點(diǎn)合格率在90%左右。GB/T4213-2008氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥引用了GB/T 17213工業(yè)過程控制閥部 分內(nèi)容，GB/T 17213工業(yè)過程控制閥又全部引用了IEC60534工業(yè)過程控制閥的內(nèi)容，也就是說我們控制閥行業(yè)執(zhí)行的GB/T4213-2008氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥就是在執(zhí)行IEC60534工業(yè)過程控制閥的部分內(nèi)容6控制閥生產(chǎn)企業(yè)凡真正具有流量試驗(yàn)室并進(jìn)行流量試 驗(yàn)的單位都知道，理想等百分比流量控制閥達(dá)到斜率偏差土30%是非常困難的，特別是當(dāng)相對行程h0.8時(shí), 幾乎是不可能的，所以IEC60

7、534工業(yè)過程控制閥對 相對行程h0.8進(jìn)行了放寬偏差處理， 當(dāng)相對行程h0.8時(shí)允許相對流量適當(dāng)減小。為了檢測方便，GB/T4213-2008氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥標(biāo)準(zhǔn) 中將原斜率偏差換算成了對數(shù)數(shù)值IgKvn-IgKvn-1，具體 數(shù)字轉(zhuǎn)換見表三：表二相對行程%1020304050607080901007流量系數(shù)Kv 2.96 4.37 6.46 9.56 14.1220.9 30.9 45.7 67.6 100igKv0.47 0.64 0.81 0.981.151.321.49 1.66 1.832標(biāo)準(zhǔn)igKv n-IgKv n-10.17 0.17 0.17 0.170.170).17 0.17

8、 0.17 0.17斜率偏差+80%-30%30%+30%-80%實(shí)際IgKvn-IgKvn-10.300.120.220.120.220.03美國艾默生過程管理公司的Fisher公司就充分利用了IEC60534工業(yè)過程控制閥標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于固有流量特性的 基本要求，也可以說IEC60534工業(yè)過程控制閥標(biāo)準(zhǔn) 是以Fisher公司產(chǎn)品為基型編制而成的。下面我們以Fisher公司生產(chǎn)的DN100 ET型籠式閥為例，看一下Fisher公司是如何利用IEC60534工業(yè)過程控制閥標(biāo)準(zhǔn)的。實(shí)際流量系數(shù)具體數(shù)值見表四8表四相對行楸102030405060708090100理論流量系數(shù)Cv6.639.814.5

9、 21.4 31.6 46.869.2102.4151.4224實(shí)際流量系數(shù)Cv5.8511.6 18.3 30.2 49.7 79.7 125171205 224IgKvn 4gKv n-10.2930.20.22 0.22 0.20 0.200.130.080.04Fisher公司DN100 ET籠式閥等百分比流量系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)等百分比流量系數(shù)對比，見圖一相對流量9圖一我們根據(jù)Fisher產(chǎn)品選型軟件上發(fā)布的相對行程與相對流量數(shù)值，計(jì)算ET、EZ兩大系列十多種控制閥的曲線，也基本遵守這個(gè)原則。所以各控制閥生產(chǎn)企業(yè)不要刻意追 求理想等百分比流量特性各點(diǎn)均符合斜率偏差土30%，而應(yīng)在不影響用戶使用

10、前提下，充分利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相對行程h0.8斜率偏差需%的要求，可使設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過程大大簡化目前，國內(nèi)各大、中型項(xiàng)目的采購普遍采取招標(biāo)的方式 進(jìn)行。相對行程標(biāo)準(zhǔn)值FISHER10在招投標(biāo)過程中技術(shù)分又占有絕對比重，各控制閥 生產(chǎn)廠經(jīng)常遇到設(shè)計(jì)單位、使用單位與生產(chǎn)制造單位核對 控制閥開度情況，核對過程都是按照標(biāo)準(zhǔn)理想流量特性核 對的。由于各個(gè)控制閥生產(chǎn)制造企業(yè)所生產(chǎn)的控制閥的實(shí) 際流量特性曲線非常不一致，與理想流量特性相差甚遠(yuǎn)。 還以Fisher公司生產(chǎn)的DN100 ET型籠式閥為例，在相 對流量為100、125、150時(shí)，相對行程都有15%左右的 誤差（見圖一）。因此核對控制閥開度即不科學(xué)又無

11、任何實(shí) 質(zhì)意義。設(shè)計(jì)、使用單位要想得到實(shí)際控制閥開度，就要 根據(jù)控制閥生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際流量特性曲線進(jìn)行核對。控制閥的合理選用是一門綜合性科學(xué)；需要控制閥設(shè)計(jì) 單位、使用單位和生產(chǎn)企業(yè)邊學(xué)習(xí)、邊實(shí)踐以達(dá)到滿意的 使用效果。11流量系數(shù)計(jì)算公式匯總表判別條件計(jì)算公式符號(hào)及單位KVQL,p閃蒸及空化KvQP -PTPv二FL(PIFFPV)xvFKXTQg5.19;TNZxX_FKXTK：QPITNZKXT蒸八、 、汽xvFKXTiW；FKXTKkXTPl液體與非液化氣體KVWgWL3.16P -eWg+WL2/3Wg gy WL L10流液體與蒸汽KVWgWL3.16F:P1(FF)WgWL3WgSW

12、L L10Q-液體體積流量，m/hQ-氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，NrhW液體質(zhì)量流量，kg/hW蒸汽質(zhì)量流量，kg/hW氣體質(zhì)量流量，kg/hP1-閥前絕對壓力，kPaP2-閥后絕對壓力，kPap-閥前后壓差，kPaPv-飽和蒸汽壓，kPapL-液體密度，g/cm3pg-氣體密度（p1、T1條件下）pN-氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度，kg/Nm5p1-蒸汽閥前密度kg/m3pe-兩相流的有效密度kg/m3p葉兩相流的入口密度kg/m3Z-壓縮系數(shù)；-膨脹系數(shù)y = 1 -3FKXTx-壓差比x=P/P1XT-臨界壓差比FL-壓力恢復(fù)系數(shù)FK-比熱比系數(shù)FK=k/1.4k-氣體絕熱指數(shù)（對空氣k=1.4）FF-

13、臨界壓力比系數(shù)1213氣液兩相流流量系數(shù)的計(jì)算流量系數(shù)Kv是指溫度為540C溫度范圍內(nèi)的水在105Pa（1 bar）壓降下，在規(guī)定 行程下每小時(shí)內(nèi)流過閥的立方米數(shù)?，F(xiàn)在也有很多廠家習(xí)慣使用Cv值表示，流量系數(shù)Cv是指用40100 F的水，保持閥門兩端壓差為1psi情況下，閥全開狀態(tài)下每分鐘通過 閥的美加侖數(shù)。Cv與Kv的換算公式為：Cv=1.156 Kv。在對控制閥進(jìn)行選型時(shí)，最關(guān)鍵的是根據(jù)所給工況條件正確計(jì)算流量系數(shù)，根據(jù)計(jì) 算的流量系數(shù)合理選用閥門口徑介質(zhì)為單純液體、氣體、蒸汽時(shí)都有正確的計(jì)算公式， 在這里就不再敘述了，計(jì)算時(shí)只要區(qū)分是否為阻塞流的情況，按照公式很容易計(jì)算。當(dāng) 介質(zhì)為氣液兩

14、相流時(shí)，各個(gè)控制閥制造廠家也有不同的計(jì)算方法，過去一般都采用分別 計(jì)算液體和氣體（蒸汽）的Kv值，然后相加作為閥門總的流量系數(shù)值，這種分別計(jì)算 液體及氣體的流量系數(shù)，然后相加的方法是基于兩種流體單獨(dú)流動(dòng)的觀點(diǎn)，沒有考慮到 他們的相互影響。實(shí)際上，當(dāng)氣相大大多于液相時(shí)，液相成為霧狀，具有近似于氣相的 性質(zhì)；當(dāng)液相大大多于氣相時(shí)，氣相成為氣泡夾雜在液相中間，這時(shí)具有液相性質(zhì)，此 時(shí)用上述方法計(jì)算誤差就很大，前者偏大而后者偏小。因此對兩相流介質(zhì)進(jìn)行流量系數(shù) 計(jì)算時(shí)必須要考慮到兩相流動(dòng)互相影響，找出更準(zhǔn)確有效的計(jì)算方法，本文現(xiàn)介紹兩種 不同的兩相流流量系數(shù)的計(jì)算方法即有效密度法和修正系數(shù)法。一、有效密

15、度法目前國內(nèi)大部分廠家都采用這種方法。計(jì)算前提是：氣、液兩相介質(zhì)必須均勻混合，而且其中每一單相流體均未達(dá)到阻塞 流條件，判決條件如下：液體PvR（:備塩憐），氣體XvFkX, 閥前壓力kPaAP 閥前后壓差kPaX壓差比P/ .FL無附接管件控制閥的液體壓力恢復(fù)系數(shù)，無量綱（見表1）一一阻塞流條件下無附接管件控制閥的壓差比系數(shù)，無量綱（見表1）4比熱比系數(shù)，耳=k/1.4 （k是氣體的絕熱指數(shù)）14Fp= 0.96 - 0.28 X烏表1壓力恢復(fù)系數(shù)和臨界壓差比、閥的類型閥內(nèi)件流動(dòng)方向XT單座閥柱塞型流山丿丨/流關(guān)0.9/0.80.72/0.55窗口型任意0.90.75套筒型流山丿丨/流關(guān)0.

16、9/0.80.75/0.7雙座閥柱塞型任意0.850.7窗口型任意0.90.75角形閥柱塞型流山丿丨/流關(guān)0.9/0.80.72/0.65套筒型流山丿丨/流關(guān)0.85/0.80.65/0.6球閥0型球閥任意0.550.15V型球閥任意0.60.25偏心旋轉(zhuǎn)閥偏心球塞流山丿丨/流關(guān)0.85/0.680.6/0.4蝶閥(中心式)60全開任意0.700.4290全開任意0.600.20注：上表所列數(shù)值為典型值，實(shí)際數(shù)值以制造商提供為準(zhǔn)。 符合以上條件后，兩相流流體流量系數(shù)計(jì)算公式如下：(1)液體與非液化性氣體kPaA15Wg + WL316 X v APX Pe16式中趴篇為兩相流密度：u e =-

17、Wg . WLP gXyz一103X P 1或Wg + WLP e =-盹XT_ WL2,64 X y2X Pj X PxX Z 103X P 1式中八船加=1-鴉序g氣體質(zhì)量流量kg/h鋒液體質(zhì)量流量kg/h1：氣體操作密度kg/m3I入口絕對溫度，K Z壓縮系數(shù): 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度kg/N.m3| I液體密度g/cm3注：當(dāng)氣體所給流量單位是Nm/h時(shí)，可用下式進(jìn)行換算,氣體比重（2）液體與蒸汽當(dāng)蒸汽占絕大部分的兩相混合流體用液體與非液化性氣體所給公式進(jìn)行計(jì)算。體占絕大部分的兩相混合流體，計(jì)算公式為：,WQK316 XFL7PIXPm(lrFF)式中L：二為兩相流密度：P m =-Pg

18、103X P 1kg/h = Nm3/h菽:1292T對液17她X T .2,64 X X Px 103X P 1例1,在兩相流介質(zhì)中，流體是空氣和水的混合流體，=1100kPaA,P=300kPa,3=353K，水質(zhì)量流量=20000kg/h,空氣質(zhì)量流量=240 kg/h，空氣密度為1.293kg/Nm,水的密度為0.972g/cm3。查關(guān)資料的壓縮系數(shù)Z為1.01選用氣動(dòng)薄膜單座閥-=0.9，熱F=0.72,PC=22120kPa,=47.36 kPa（1）首先判別液體或氣體是否有阻塞流, 對液體，式中，-無阻塞流時(shí)最大允許壓差，kPaFF=0-96- 0,28 X由于P=300kPa

19、4C6S如果采用分別計(jì)算液體和氣體的流量系數(shù)，然后相加可得:總:選 - -用此方法和有效密度的計(jì)算方法相比，計(jì)算結(jié)果相差27.8%。例2,在兩相流介質(zhì)中，流體是蒸氣和水的混合流體，P仁800kPaA,P=80kPa,T仁438K水質(zhì)量流量4000kg/h,蒸氣質(zhì)量流量2000 kg/h，蒸氣密度為334.085kg/m ,水的密度為0.907g/cm。選用氣動(dòng)薄膜單座閥1=0.9，畸F=0.72,PC=22120kPa,=700.77 kPa（1）首先判別液體或蒸汽是否有阻塞流, 對液體，PT=FL(P1_h)=0.92(800-0.91八 式中，PT無阻塞流時(shí)最大允許壓差，kPa由于P=80

20、kPaPT,所以不產(chǎn)生阻塞流。對蒸汽，%=P/P1=80/800=0.1vFRXT=1II?).廠1口 所以蒸汽也不產(chǎn)生阻塞流（2）計(jì)算流量系數(shù) 有效密度:_ Wg + WLm =Wg wL-Pg 10aX P 1=406.8把膨脹系數(shù)18.33經(jīng)計(jì)算，液體芯氣體二1.39（計(jì)算過程略）二蟄：（=0.91y和有效密度帶入一計(jì)算19_2000- 4000=4000-4,085_103X 0.907=12.14把有效密度二乍帶入計(jì)算懸乍316 XFLJPIXPm(l-FJ=71.36如果采用分別計(jì)算液體和蒸氣的流量系數(shù)，然后相加可得：液體冠4.7蒸汽卷37.33（計(jì)算過程略） 總兒弋 -：-： .

21、用此方法和有效密度的計(jì)算方法相比，計(jì)算結(jié)果相差69.8%二、修正系數(shù)法現(xiàn)Fisher公司采用這種計(jì)算方法具體方法是按照單一狀態(tài)分別計(jì)算氣體（蒸汽）和液體的率V與Fm曲線（見圖1），找出修正系數(shù)Fm數(shù)值，再按照公式1）兩相混合流體的流量系數(shù)計(jì)算公式為：Cvr=（ Cvl+ Cvg） （公式1）2）液體和氣體混合的平均容積計(jì)算公式為：3）液體和蒸汽混合的平均容積計(jì)算公式為:Vr=vg+vl.式中Cvr兩相混合流體的C值Cvl液體部分的CV值Gg氣體部分的C/值G值，然后通過氣體容積1進(jìn)行計(jì)算。Vr=20FnG值修正系數(shù)住閥前壓力psiaT1 入口溫度。R（R蘭金溫標(biāo)度=F+460）Qg-Wi MW

22、（側(cè)）Ql-Mi埶郵申伽）/氣體容積率X蒸汽質(zhì)量與兩相流整體質(zhì)量的比值4）如果壓差比（P/P1）超過了圖2所要求的范圍，那么就很可能是其中的液 體產(chǎn)生了阻塞流，因此必須對液體阻塞流進(jìn)行判斷，并相應(yīng)計(jì)算Cv值。判別公式為PT= 2(Fm21氣體容積率V圖1 Fm與V關(guān)系曲線圖P/P1圖2 C1與（厶P/P1）曲線圖注：圖2中3= 39.722例3,在兩相流介質(zhì)中，流體是空氣和水的混合流體，_ =1100kPaA=159.5psia,P=300kPa=43.5psi,=353K=636R,水質(zhì)量流量=20000kg/h=88.18gpm,空氣質(zhì)量流量=240 kg/h=6922.07 scfh.選

23、用氣動(dòng)薄膜單座閥-=0.9，.-=0.72,冷:=22120kPaA ,=47.36kPaA(1)首先判斷是否存在阻塞流，P/P1=43.5/159.5=0.27由圖2曲線可以看3=33.737時(shí)，P/比為0.52，由于P/P1=0.27 V0.52,因此無阻塞流產(chǎn)生。(2)計(jì)算液體和氣體混合的平均容積：Vr=：T；由圖1曲線可以得出當(dāng)V =0.524時(shí)Fm=0.48(3)分別計(jì)算單獨(dú)流動(dòng)情況下的CV值經(jīng)計(jì)算，液體G=13.7氣體Cvg=1.61(計(jì)算過程略)Cvr=( Cvl+ Cvg)；i* 幾=(13.7+1.61)2：L*TUM=19.6)這樣分別計(jì)算液體和氣體的流量系數(shù)并相加的總=15.31與修正系數(shù)法計(jì)算的例4,在兩相流介質(zhì)中，流體是蒸氣和水的混合流