调节阀的静态工作特性的介绍

通过调节阀的静态工作特性，可以了解流量q_V与开度H的函数关系，即

q_V=q_V（H） （1-101）

应当注意的是，静态工作特性的定义并不像固有特性那样，规定阀门上的压力损失是常数的限制条件。它是管路系统、阀门类型和尺寸的函数。

图1-74 管路系统原理

1—升压设备 2—输送管线 3—调节阀 4—局部阻力件

p₀—升压设备出口压力 p_v—管路系统终端的压力

1.没有分支的管路系统

图1-74所示为管路系统的原理。这个系统的压力损失分为调节阀上的压力损失Δp_r、管道上的压力损失Δp_e、升压设备内部的压力损失Δp_si。令压力损失Δp_e与Δp_si之和为Δp_L，即

Δp_L=Δp_e+Δp_si

压力损失Δp_L的增加与流量q_V的平方成正比，对应的关系式为

在式中，K_L是系统的流量系数，考虑上面所指出的，整个管路系统的压力损失Δp_so由Δp_L和Δp_r组成，即

Δp_so=Δp_L+Δp_r （1-103）

将Δp_r和Δp₁的关系式（1-36）和式（1-102）代入式（1-103），得

经过运算而获得

假设不改变流动方式，而且介质是不可压缩的。对于阀门完全打开的位置，即当变量（q_V、Δp_r、Δp_L、K_V）取下角标100时，则可写成下式：

两式相比有

按所做的假设，调节阀的开度改变，也就是流量改变时，系数K_L不变。如果将式（1-107）式代入式（1-106），则

对于全开位置的调节阀，式（1-103）变为

Δp_L100=Δp_so-Δp_r100

将Δp_L100代入式（1-108），并与相比，则有

进行简化并假设ψ=Δp_r100/Δp_so、k_V=K_V/K_V100，则有

上面的关系式，表达了调节阀在所作简化条件下的工作特性。

对于线性的固有特性，在不同的参数ψ下，可以给出相应的特性曲线族，如图1-75所示；对于对数特性曲线，在不同的参数ψ下，相应的工作特性曲线族如图1-75所示。

这些特性曲线族是这样做出的：对于阀门的不同开度h（h=H/H₁₀₀），借助于式（1-39）和式（1-40）确定一系列的K_V/K_V100值。K_V值见式（1-109）。通过固有特性曲线K_V/K_V100=f（h），来确定工作特性曲线q_V=f（h）。对应于不同的参数ψ，确定这些特性曲线族。

图1-75和图1-76用于选择有一特定工作特性的调节阀。例如，Δp_r100/Δp_so之比在0.4～1之间。线性阀的工作特性应该是线性的；Δp_r100/Δp_so之比在0.05～0.3之间，推荐用对数阀。如果需要一个非线性工作特性，以补偿一个非线性的自动化调节系统，例如，补偿非线性的孔板流量变送器，则应在特性曲线族中，选择最恰当的特性。

图1-75 线性调节阀的工作特性 （K_Vs/K_Vo=50/1）

图1-76 对数调节阀的工作特性曲线 （K_Vs/K_Vo=50/1）

从图1-75、图1-76和式（1-109）中，可看出在Δp_so=Δp_r100，即ψ=1的情况下，工作特性变为固有的线性特性或对数特性。这要根据调节阀的类型而定。在实际中，它代表了下列近似情况，即安装调节阀的管路非常短，局部阻力非常小，而升压设备内部压力损失是可以忽略的。

图1-77还表示了当ψ=1时的升压设备特性曲线，即图中虚线。因为在p_o=常数时，Δp_si=0。这种情况有时会在实践中遇到，即当调节阀被安装在两罐之间，而罐的压力保持常数的情况。图1-78中的特性曲线1对应于这种情况。

图1-77 升压设备-管路-调节阀系统的特性曲线

RR₁₀₀—在管路系统中只有调节阀，而调节阀RR是全开的

RR₁₀₀+C_V—在管路系统中包括全开的调节阀RR和管路

RR+C—在管路系统中包括调节阀RR和管路，调节阀RR置于某一个开度，没有内部阻力的升压设备特性曲线，此时Δp_si=0

图1-78 不同升压设备的流量特性曲线

1—大容器，而流量非常小 2—大流量且有离心泵或离心压缩机 3—有离心泵 4—有容积泵

除了用对应于阀门最大开度时的流量q_V100的比率来表达工作特性曲线以外，还通过对应于阀门全开，并且升压设备内部压力损失Δp_si和导管压力损失Δp_c是零时的流量q_Vmax的比率来表示特性曲线。这种情况就意味着调节阀是管路系统的唯一阻力，也就是调节阀的压力损失Δp_r100就等于整个系统的压力损失，即Δp_r100=Δp_so。管路系统工作点是p_o和q_Vmax，如图1-78所示。

式（1-108）除以式（1-110），得

其中，k_V=K_V/K_V100；ψ=Δp_r100/Δp_so。

图1-79和图1-80示出了从式（1-111）得出的工作特性曲线族。可分为两种类型：线性特性曲线和对数特性曲线。

对于ψ=1，有Δp_r100=Δp_so，即升压设备产生的全部压力损失在调节阀上。在这种情况下，流量有最大值q_Vmax。ψ<1的情况下，对于管路系统有更实际的意义。这相应于调节阀上的压力损失Δp_r较小，即通过它的液体流量也较小的情况。对于同样尺寸和同样开度的调节阀，液体流量减少，与阀门上的压力损失Δp_r成比例，这就是图1-79和图1-80中工作特性曲线的意义。

图1-79 最大流量比率下的工作特性

（线性调节阀RR，K_Vs/K_Vo=50∶1）

图1-80 最大流量比率下的工作特性曲线

（对数调节阀RR，K_Vs/K_Vo=50∶1）

2.蝶形调节阀的工作特性

确定蝶形调节阀工作特性的过程，与一般调节阀一样，从而可以导出蝶阀的一般固有特性曲线和工作特性曲线。图1-81中给出了蝶阀的工作特性曲线族的情况。

3.利用工作特性曲线选择调节阀

为使调节阀有效地工作，在确定工作特性和固有特性时，需要分别考虑下面两种情况：①未给出管路系统压力损失，也未给出起始压力；②已知管路系统压力损失和起始压力。

在两种不同的情况中，认为①是正常的。因为预先确定起始压力和系统压力损失，可能要求专用调节阀，或者选定的调节阀实际上不能正常工作。在实践中，两种情况都存在，应根据情况进行处理。可分别采用下面方法。

（1）对于情况①

1）确定Δp_c100，即管线压力损失和局部压力损失之和。

图1-81 蝶阀的工作特性曲线族(www.xing528.com)

2）确定工作特性，按工艺条件和自动化调节系统其他元件的情况，进而确定固有特性的类型。

3）确定调节阀上的压力损失和系统压力损失，可由选定的工作特性求出。

4）确定起始压力，用关系式p_o100=p_v+Δp_e100+Δp_r100。

（2）对于情况②

1）确定Δp_c100，即管线压力损失和局部压力损失之和。

2）确定调节阀在最大负荷下的压力损失，利用公式Δp_r100=p_o100-p_v-Δp_c100。

3）确定比率ψ=Δp_r100/Δp_so。

4）利用比率Δp_r100/Δp_so来选择调节阀的工作特性和固有特性。

4.调节阀的放大系数

在整个调节范围内，自动化调节系统的品质指标依赖于系统的放大系数。如在整个调节范围内，系统放大系数是个常数，则调节过程的品质指标不受放大系数的影响；如放大系数是变化的，它将影响调节过程的品质指标。

在自动化元件具有线性静态特性曲线时，对于已设计的调节阀，在整个工作范围内放大系数是个常数。如自动化元件具有非线性的静态特性，则工作范围内放大系数是变化的。由此可见，后面这个调节阀实际上是一个非线性元件。

调节阀放大系数反映通过阀门的液体流量随调节阀开度的变化，也就是导数d（q_V/q_V100）/dh，图1-82示出了对于不同比率Δp_r100/Δp_so，线性调节阀和对数调节阀放大系数的变化。

图1-82 调节阀放大系数的变化

a）线性阀 b）对数阀

分析这两个曲线图可以看到，在极限情况下，即当管路系统的压力损失，等于调节阀的压力损失Δp_r100时，线性调节阀的放大系数是常数。在其他所有的情况下，对于目前实际应用的调节阀，在整个开度变化范围内，放大系数不是常数。

5.带有分支的管路系统

（1）三通调节阀的工作特性 三通调节阀能够用来作分配器，如图1-83所示；也能够用作混合器，如图1-84所示。泵SP推动温度为T₀、压力为p₁的液体通过一个换热器，从换热器出来的液体温度必须调节到T₁值。加热设备可以是一个具有放热反应的化学反应器。从加热设备出来的液体温度是T₂。

图1-83 用作分配器的三通调节阀

图1-84 用作混合器的三通调节阀

借助一个自动调节系统，通过改变流经换热器和旁路的流量来使温度保持不变。

介绍的两个简图是相似的，区别仅仅是三通调节阀的安装位置不同：安装在换热器前面的是作为分配器，安装在换热器后面的是作为混合器。

假设，在系统上的压力损失是个常数，即：Δp_so=p_o-p_V=常数。为确定两通阀的工作特性，可利用由标准调节阀获得的式（1-109），如果考虑K_VB=K_VS-K_VA和q_V=q_VA+q_VB，就可得

在图1-85中，给出了线性调节阀函数关系（q_VA+q_VB）/q_V100=f（h）的图形。为了表示清楚，仅仅考虑一个Δp_r100/Δp_so参数的值。

分析图1-85可知，线性三通调节阀的最大总流量，是在开度的中间位置h=H/H₁₀₀=0.5时，而不是在关闭其中的一个通路。这个问题的解释是：此时两路的阀门各自打开一半，工作于两路上的管路阻力是并联的，其总阻力比其他每一部分都小。

（2）带有分支的其他管路系统 大多数实际情况是与图1-75中给出的管路系统相似。此处介绍这种管路系统的一些缺点：

1）在自动化系统中，小流量调节阀是费事的，这时工艺过程的控制和调节是困难的。

2）当升压设备是柱塞泵时，这种管路不能使用。

在实践中，利用另外一种安装线路，其目的是为了取消上述缺点，或是由于具体情况所要求。

图1-85 线性三通调节阀的工作特性

图1-86 并联调节阀安装图

图1-86所示为并联调节阀的安装图。对于这样的系统，系数之间关系如下：

K_V′_s=K_Vs1+K_Vs2 （1-113）

式中，K_V′_s为对于图1-86中整个系统的K_Vs系数。

对于一个特定的开度值h，式（1-113）可以写为

K_V′（h）=K_Vs1+K_Vs2（h） （1-114）

式中，K_Vs2（h）为不同固有特性的表达式（线性特性或者对数特性）。

式（1-114）还可以写为

K_V′（h）=K_Vs1+K_Vs2k_V（h） （1-115）

式中，k_V（h）为并联管路的固有特性。

将式（1-114）和式（1-115）相比，得

根据实际情况，得出的公式为

图1-87 图1-86所示系统的工作特性曲线

k_V（h）也是一样的，对于整个系统，可以写成k_V′（h）=K_V′（h）/K_V′₁₀₀，将k_V′（h）代入式（1-110），得

在图1-87中表示了对于不同比值K_Vs1/K_Vs2系统的静态特性q_V/q_V100=f（h）。

这种安装方法允许对整个开度范围进行流量调节，并保证自动调节系统高精度地工作。应强调指出，在接近关闭区域附近选定固有特性的看法是不正确的。

实际上经常遇到上面介绍的系统。在这里，调节阀必须运行于一个大的开度范围之间。

在并联的调节阀中，另外一种安装系统如图1-88所示。图1-89所示为图1-87所示系统的工作特性曲线。在利用容积泵的情况下，这个系统用来调节流量。

图1-88 一个用容积泵的分支管路系统

图1-89 图1-88所示系统的工作特性曲线

.计算通过系统的总流量的公式为

该式对于在系统中，有同样的压力损失Δp_s的情况是有效的。

对于管路阻力K_Vs1计算式（1-102），再与式（1-119）相比，得

式中，q_Vr1为通过调节阀的需要调节的流量。

图1-87示出了对应于式（1-120）的工作特性曲线，参数比率K_Vs1/K_Vs2。