上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)（集團）有限公司

1 概述

在自動(dòng)控制系統中，調節閥是其常用的執行器�？刂七^(guò)程是否平穩取決于調節閥能否準確動(dòng)作，使過(guò)程控制體現為物料能量和流量的精確變化。所以，要根據不同的需要選擇不同的調節閥。選擇恰當的調節閥是管路設計的主要問(wèn)題，也是保證調節系統安全和平穩運行的關(guān)鍵。

2 調節閥的組成

調節閥由執行機構和調節機構組成，接受調節器或計算機的控制信號，用來(lái)改變被控介質(zhì)的流量，使被調參數維持在所要求的范圍內，從而達到過(guò)程控制的自動(dòng)化。

2.1 執行機構

執行機構按照驅動(dòng)形式分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)3種。氣動(dòng)執行機構具有結構簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，性能穩定，價(jià)格低，維護方便，防火防爆等優(yōu)點(diǎn)，在許多控制系統中獲得了廣泛地應用。電動(dòng)執行機構雖然不利于防火防爆，但其驅動(dòng)電源方便可取，且信號傳輸速度快，便于遠距離傳輸，體積小，動(dòng)作可靠，維修方便，價(jià)格便宜。液動(dòng)執行器的推力最大，調節精度高，動(dòng)作速度快，運行平穩，但由于設備體積大，工藝復雜，所以目前使用不多。

執行機構不論是何種類(lèi)型，其輸出力都是用于克服負荷的有效力（主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力及重力等有關(guān)力的作用）。因此，為了使調節閥正常工作，配用的執行機構要能產(chǎn)生足夠的輸出力來(lái)克服各種阻力，保證高度密封和閥門(mén)的開(kāi)啟。對執行機構輸出力確定后。應根據工藝使用環(huán)境要求，選擇相應的執行機構。例如，對于現場(chǎng)有防爆要求時(shí)，應選用氣動(dòng)執行機構，且接線(xiàn)盒為防爆型。如果沒(méi)有防爆要求，則氣動(dòng)或電動(dòng)執行機構都可選用，但從節能方面考慮，應盡量選用電動(dòng)執行機構。對于要求調節精度高，動(dòng)作速度快和運行平穩的工況，應選用液動(dòng)執行機構。

綜合各類(lèi)執行器的特點(diǎn)，自動(dòng)控制系統普遍采用電動(dòng)執行機構。如結構簡(jiǎn)單、體積小的 ZAZ 直行程類(lèi)及 ZAJ 角行程類(lèi)，3610L(R) 型電子式及SKD型多轉電動(dòng)執行機構等。各類(lèi)執行機構盡管在結構上不完全相同，但基本結構都包括放大器、可逆電機、減速裝置、推力機構、機械限位組件、彈性聯(lián)軸器和位置反饋等部件（圖 1）。

圖1 電動(dòng)執行機構的方框圖

電動(dòng)執行機構一般需要與伺服放大器配套，接受調節器的信號，該信號經(jīng)過(guò)伺服放大器放大后轉換為三位繼電信號，控制可逆電機正轉或反轉，帶動(dòng)調節機構，使閥開(kāi)啟或關(guān)閉。

2.2 調節機構

調節閥門(mén)是調節閥的調節機構，它根據控制信號的要求而改變閥門(mén)開(kāi)度的大小來(lái)調節流量，是一個(gè)局部阻力可以變化的節流元件。調節閥門(mén)主要由上下閥蓋、閥體、閥瓣、閥座、填料及壓板等部件組成。在自動(dòng)控制系統中，閥門(mén)主要的調節介質(zhì)為水和蒸汽等。在壓力比較低，使用情況單一的情況下，常用的調節閥有直通調節閥、三通調節閥和蝶閥等。

直通閥有直通單座閥和雙座閥之分。單座閥結構簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，關(guān)閉時(shí)泄漏量小，但由于閥座前后存在的壓差對閥瓣產(chǎn)生的不平衡力較大，所以適用于低壓差的場(chǎng)合，例如供水管或回水管中。雙座閥有兩個(gè)閥瓣閥座，在其關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)閥瓣的受力可部分抵消，閥瓣所受的不平衡力小，但是由于熱脹冷縮效應，其同時(shí)關(guān)閉性較差，造價(jià)也較高，只適用于閥前后壓差較高但密閉要求不高的場(chǎng)合，例如供水或回水之間的壓差旁通閥。

三通閥有三個(gè)出入口與管道相連，總進(jìn)水量較恒定，適用于定水量系統中，并要求有固定的安裝方向，不宜反裝，不適于溫差較大場(chǎng)合。三通調節閥有合流閥與分流閥之分。合流閥是將來(lái)自?xún)蓚�(gè)入口的流體混合至一個(gè)出口。分流閥則是將一個(gè)入口的流體分別由兩個(gè)口送出。

蝶閥結構較簡(jiǎn)單，由閥體、蝶板軸及軸封等部分組成，其行程為 0°~90°。蝶閥有兩位式控制和比例控制 2 種方式。蝶閥的特點(diǎn)是阻力損失小，體積小，質(zhì)量輕，安裝方便，并且開(kāi)啟閥門(mén)和關(guān)閉閥門(mén)的允許壓差較大，但其調節性能和關(guān)閥密閉性能較差，通常用于壓差較大但調節性能要求不高的場(chǎng)所。除用作兩通閥外，還可以用兩個(gè)蝶閥組合，完成三通閥的功能。在自動(dòng)控制系統中，開(kāi)/關(guān)型電動(dòng)蝶閥常用于冷水和熱水系統中，作為水路的連通和關(guān)斷控制。

3 性能

3.1 工作原理

根據流體力學(xué)可知，調節閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節流元件。對不可壓縮流體，調節閥的流量可表示為：

式中：Q–調節閥某一開(kāi)度的流量，mm³/s
P1–調節閥進(jìn)口壓力，MPa
P2–調節閥出口壓力，MPa
A–節流截面積，mm²
ξ–調節閥阻力系數
ρ–流體密度，kg/mm³

由式（1）可知，當 A 一定，ΔP=P1-P2 也恒定時(shí)，通過(guò)閥的流量 Q 隨阻力系數 ξ 變化，即阻力系數 ξ 愈大，流量愈小。而阻力系數 ξ 則與閥的結構和開(kāi)度有關(guān)。所以調節器輸出信號控制閥門(mén)的開(kāi)或關(guān)，可改變閥的阻力系數，從而改變被調介質(zhì)的流量。

3.2 流量特性

調節閥的流量特性是指被調介質(zhì)流過(guò)調節閥的相對流量與調節閥的相對開(kāi)度之間的關(guān)系。其數學(xué)表達式為：

式中：Qmax–調節閥全開(kāi)時(shí)流量，mm³/s
L—-調節閥某一開(kāi)度的行程，mm
Lmax–調節閥全開(kāi)時(shí)行程，mm

調節閥的流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在調節閥進(jìn)出口壓差固定不變情況下的流量特性，有直線(xiàn)、等百分比、拋物線(xiàn)及快開(kāi) 4 種特性（表1）。

在實(shí)際系統中，閥門(mén)兩側的壓力降并不是恒定的，使其發(fā)生變化的原因主要有兩個(gè)方面。一方面，由于泵的特性，當系統流量減小時(shí)由泵產(chǎn)生的系統壓力增加。另一方面，當流量減小時(shí)，盤(pán)管上的阻力也減小，導致較大的泵壓加于閥門(mén)。因此調節閥進(jìn)出口的壓差通常是變化的，在這種情況下，調節閥相對流量與相對開(kāi)度之間的關(guān)系。稱(chēng)為工作流量特性。具體可分為串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性和并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性。

（1）串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性

調節閥與管道串聯(lián)時(shí)，因調節閥開(kāi)度的變化會(huì )引起流量的變化，由流體力學(xué)理論可知，管道的阻力損失與流量成平方關(guān)系。調節閥一旦動(dòng)作，流量則改變，系統阻力也相應改變，因此調節閥壓降也相應變化。串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性與壓降分配比有關(guān)。閥上壓降越小，調節閥全開(kāi)流量相應減小，使理想的直線(xiàn)特性畸變?yōu)榭扉_(kāi)特性，理想的等百分比特性畸變?yōu)橹本�(xiàn)特性。在實(shí)際使用中，當調節閥選得過(guò)大或生產(chǎn)處于非滿(mǎn)負荷狀態(tài)時(shí)，調節閥則工作在小開(kāi)度，有時(shí)為了使調節閥有一定的開(kāi)度，而將閥門(mén)開(kāi)度調小以增加管道阻力，使流過(guò)調節閥的流量降低，實(shí)際上就是使壓降分配比值下降，使流量特性畸變，惡化了調節質(zhì)量。

（2）并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性

調節閥與管道并聯(lián)時(shí)，一般由閥支路和旁通管支路組成，調節閥安裝在閥支路管路上。調節閥在并聯(lián)管道上，在系統阻力一定時(shí)，調節閥全開(kāi)流量與總管最大流量之比隨著(zhù)并聯(lián)管道的旁路閥逐步打開(kāi)而減少。此時(shí)，盡管調節閥本身的流量特性無(wú)變化，但系統的可調范圍大大縮小，調節閥在工作過(guò)程中所能控制的流量變化范圍也大大減小，甚至起不到調節作用。要使調節閥有較好的調節性能，一般認為旁路流量最多不超過(guò)總流量的 20%。

4 調節閥的選擇

4.1 流量特性選擇

流量特性的選擇方法有兩種，一種是通過(guò)數學(xué)計算的分析法，另一種是在實(shí)際工程中總結的經(jīng)驗法。由于分析法既復雜又費時(shí)，所以一般工程上都采用經(jīng)驗法。具體來(lái)說(shuō)，應該從調節質(zhì)量、工況條件、負荷及特性幾個(gè)方面考慮。

（1）根據自動(dòng)調節系統的調節質(zhì)量

根據自動(dòng)控制原理中的特性補償原理，為了使系統保持良好的調節質(zhì)量，希望開(kāi)環(huán)總放大系數與各環(huán)節放大系數之積保持常數。這樣，適當選擇閥的特性，以閥的放大系數變化來(lái)補償對象放大系數的變化，從而使系統的總放大系數保持不變。

（2）根據管道系統壓降變化情況

調節閥的壓降比 S 定義為該調節閥可控制的最大流量所對應閥門(mén)進(jìn)出口差壓 ΔP1m 和系統差壓 ΔP 之比：

調節閥流量特性與壓降比S有密切的關(guān)系（表2）。

（3）根據負荷變化

直線(xiàn)閥在小開(kāi)度時(shí)流量變化大，調節過(guò)于靈敏，易振蕩。在大開(kāi)度時(shí)，調節作用又顯得微弱，造成調節不及時(shí)，不靈敏。因此在壓降比S較小，負荷變化大的場(chǎng)合不宜采用直線(xiàn)閥。等百分比閥在接近關(guān)閉時(shí)工作緩和平穩，而接近全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，放大系數大，工作靈敏有效，因此它適用于負荷變化幅度大的場(chǎng)合�？扉_(kāi)特性閥在行程較小時(shí)，流量就較大，隨著(zhù)行程的增大，流量很快達到最大，它一般用于雙位調節和程序控制的場(chǎng)合。

（4）根據調節對象的特性

一般有自平衡能力的調節對象都可選擇等百分比流量特性的調節閥，不具有自平衡能力的調節對象則選擇直線(xiàn)流量特性的調節閥。

4.2 口徑選擇

調節閥口徑是根據工藝要求的流通能力確定的，要根據提供的工藝條件計算出調節閥的流通能力，再依據其流通能力選擇調節閥的口徑。流通能力是指當調節閥全開(kāi)，閥兩端壓差為 9.81×104Pa，流體的密度為 1g/cm³ 時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)調節閥的流量值，該值以 m³/h 或 kg/h 為單位。調節閥的流通能力是合理選擇閥門(mén)及閥門(mén)口徑的一個(gè)重要參數，通過(guò)對調節閥流通能力的計算，對比廠(chǎng)家提供的技術(shù)參數確定閥門(mén)口徑的大小。對于自動(dòng)控制系統來(lái)說(shuō)，水是流經(jīng)調節閥的常見(jiàn)的介質(zhì)之一，所以以水為例介紹調節閥的流通能力 C：

實(shí)際工程中，閥門(mén)口徑是分級的，C 值通常也不是連續值（公式計算的 C 值是連續的）。不同廠(chǎng)商的同類(lèi)型產(chǎn)品有不同的 C 值與口徑對應表。在計算出期望的 C 值后，就可以查閱生產(chǎn)商的相應產(chǎn)品數據表來(lái)決定所需的閥門(mén)口徑。選取閥門(mén)口徑的原則應盡可能接近或大于計算結果，不應小于計算結果。

4.3 選用注意事項

（1）調節閥直接按照接管管徑選取是不合理的。閥門(mén)的調節品質(zhì)與接管流速或管徑?jīng)]有關(guān)系，閥門(mén)的調節品質(zhì)僅與水的阻力及流量有關(guān)。亦即一旦系統設備確定之后，理論上適合該系統的閥門(mén)只有一種理想的口徑，而不會(huì )出現多種選擇。

（2）調節閥口徑不能過(guò)小。選擇的閥門(mén)口徑過(guò)小，一方面會(huì )增加系統的阻力，甚至會(huì )出現閥門(mén)口徑 100% 開(kāi)啟時(shí)，系統仍無(wú)法達到設定的容量要求，導致嚴重后果。另一方面閥門(mén)將需要通過(guò)系統提供較大的壓差以維持足夠的流量，加重泵的負荷，閥門(mén)易受損害，對閥門(mén)的壽命影響很大。

（3）調節閥口徑不能過(guò)大。選擇的閥門(mén)口徑過(guò)大，不僅增加工程成本，而且還會(huì )引起閥門(mén)經(jīng)常運行在低百分比范圍內，引起調節精度降低，使控制性能變差，而且易使系統受沖擊和振蕩。

（4）為了保證系統控制品質(zhì)，最好的方法是在系統允許的范圍內選擇能獲得較大壓力降的閥門(mén)口徑，使閥門(mén)在運轉過(guò)程中壓力降的變化值盡可能小。閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高，則閥門(mén)壓力降相對變化值越小，閥門(mén)的安裝特性就越接近其內在特性。

（5）控制系統中調節閥應盡可能工作于恒定的壓力降條件下，因為閥門(mén)是否匹配盤(pán)管依賴(lài)于它的內在特性和流量因子，而這些閥門(mén)參數取決于恒定的閥門(mén)壓力降。

5 結語(yǔ)

設計調節閥時(shí)，要求對調節閥的組成、分類(lèi)和特性有一個(gè)清楚的認識，并在此基礎上掌握正確的選擇方法。而且，對于一個(gè)實(shí)際系統配置調節閥時(shí)，還需要對整個(gè)管系環(huán)路進(jìn)行詳盡的分析，綜合考慮各種因素。只有這樣，才能正確地選擇調節閥，保證調節系統的控制質(zhì)量。