控制閥固有流量特性

                      上海申弘閥門有限公司

之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹摘 要：控制閥固有流量特性是制造商出廠時所具有的，當(dāng)安裝到現(xiàn)場后，由于閥兩端壓降與系統(tǒng)壓降之比不為1，造成固有流量特性發(fā)生畸變，因而控制系統(tǒng)開環(huán)增益不能保持恒定，使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。采用被控對象靜態(tài)特性確定控制閥工作流量特性，然后根據(jù)應(yīng)用條件下的壓降比，“量身定制”控制閥固有流量特性，改進后的控制閥應(yīng)用在實際條件時，其工作流量特性能夠補償被控過程的非線性，即使在壓降比有改變時，仍可較好地補償被控對象的非線性，從而可有效改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵字：控制閥 流量特性 壓降比 靜態(tài)特性

1 問題的提出
是制造商出廠時提供的。當(dāng)控制閥在工業(yè)生產(chǎn)過程中使用時，由于存在壓降比s，使固有流量特性發(fā)生了畸變，流量特性上凸，造成閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性等指標(biāo)變差。通常，只能根據(jù)所需工作流量特性，按經(jīng)驗法或根據(jù)壓降比法選用合適的固有流量特性。根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行準(zhǔn)則，是否可根據(jù)被控生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，先確定其合適的控制閥工作流量特性，滿足穩(wěn)定性要求，提高控制系統(tǒng)的性能（例如，偏離度指標(biāo)）；然后，根據(jù)所需控制閥工作流量特性和工況下的壓降比設(shè)計控制閥的固有流量特性，以實現(xiàn)量身定制控制閥流量特性，滿足應(yīng)用要求。筆者根據(jù)控制閥工作流量特性、固有流量特性和壓降比的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計了，進行預(yù)畸，使工作流量特性滿足應(yīng)用要求。

對控制閥的特性選擇及改變，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，其概念有所擴展。本文研究了一些工程項目中對控制閥特性的選擇方法，并對現(xiàn)代工程上用控制閥特性補償對象特性，達到系統(tǒng)穩(wěn)定運行的硬件、軟件方法予以介紹。 
    1 控制系統(tǒng)需要不同控制閥特性
    控制閥流量特性的選擇影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，實際應(yīng)用時通過合理選擇控制閥的流量特性，使其增益K能隨對象增益的變化而變化，而開環(huán)總增益基本不變，來滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行準(zhǔn)則。但控制閥特性都是按理想流量特性（固有流量特性）來設(shè)計制造，即控制閥兩端壓降恒定時的流量特性，由于管道等阻力在工作狀況下（壓降變化），控制閥的流量特性會變化，即工作流量特性（使用時的流量特性）與控制閥出廠時的理想流量特性會有一定改變，有些工況可通過智能閥門定位器或DCS編制軟件來改變控制閥流量特性。

    2 控制閥流量特性的選擇
    2.1 理論上控制閥理想流量特性選擇
    控制閥理想流量特性有線性、等百分比、快開（理想）、快開（實際）等。其選擇的原則是根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定運行準(zhǔn)則，通過調(diào)節(jié)機構(gòu)的特性來補償因?qū)ο筇匦宰兓斐傻拈_環(huán)總特性變化的影響。

圖1 控制閥理想流量特性與閥芯形狀圖

    2.2 工程實際應(yīng)用上對控制閥理想特性的選擇
    由于控制閥是系統(tǒng)調(diào)節(jié)的重要手段之一，各行業(yè)都有多年實際應(yīng)用的經(jīng)驗，從了解中，常用有以下的方法。在工程上對控制閥理想特性的選擇首先具有行業(yè)的考慮，一般按同類裝置以前的特性選用，具有針對性。如：①造紙行業(yè)由于纖維等原因用到快開閥；②石化、化工、醫(yī)藥等行業(yè)一般只用到線性，等百分比兩種特性；③由于控制閥在動作不快時，等百分比都適合應(yīng)用，有些行業(yè)從習(xí)慣上，已選用等百分比特性，如某些石化裝置；④有些裝置用到大口徑、大壓差控制閥，由于大口徑的線性控制閥比等百分比控制閥動作快（特別小開度時），故在大口徑大壓差的情況下采用線性閥，以減少動作滯后；⑤一個裝置有多個不同的控制對象，根據(jù)控制對象特點選擇不同閥門特性，一般線性特性不能涵蓋裝置所有的控制閥門，如溫度調(diào)節(jié)對象應(yīng)選用等百分比閥，通常每個裝置含有多個溫控對象。

當(dāng)前，隨著對控制精度要求的不斷提高，對控制閥的流量特性也提出了更高要求，本文討論的方法對提高控制系統(tǒng)控制品質(zhì)具有重要意義。為此，筆者對“量身定制”工作流量特性進行研究，并據(jù)此設(shè)計。

2 工作流量特性的設(shè)計
控制閥安裝在現(xiàn)場后，其固有流量特性畸變成為工作流量特性，設(shè)固有流量特性用q＝f（l）表示，工作流量特性用q＝g（l）表示。其中，q———相對流量；l———相對行程；s———控制閥全開時兩端壓降與系統(tǒng)壓降之比。因此，它們均為量綱一的量，變化范圍是0～1。則考慮s后的工作流量特性可表示為（1）
圖1顯示控制閥工作狀況固有流量特性的畸變?？梢姡刂崎y工作狀況下固有流量特性發(fā)生變化，其特點如下：
1）s＝1表示管道壓降為零，工作流量特性與固有流量特性相同，即系統(tǒng)壓降全部降落在控制閥兩端時，工作流量特性不發(fā)生畸變。
2）隨s的減小，管道壓降增加，控制閥兩端壓降減小，使控制閥全開時的zui大流量下降，實際可調(diào)比下降。
3）隨s的減小，工作流量特性與固有流量特性之間的差異變大，工作流量特性上凸，s越小，上凸越嚴(yán)重，流量特性的畸變使原有控制系統(tǒng)的總開環(huán)增益變化，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)控制品質(zhì)。
為此，常用的方法是根據(jù)所需工作流量特性確定。解決固有流量特性畸變的設(shè)計思路是根據(jù)壓降比設(shè)計。其設(shè)計依據(jù)：根據(jù)節(jié)能要求，在工藝設(shè)計時，通常以壓降比為0.3～0.5設(shè)計管路和選用供能設(shè)備；控制閥閥瓣的設(shè)計依據(jù)是流量特性函數(shù)，只要有所需的流量特性函數(shù)關(guān)系，就可設(shè)計閥瓣；數(shù)控機床等加工設(shè)備的廣泛應(yīng)用使復(fù)雜函數(shù)關(guān)系的閥瓣設(shè)計變得容易。因此，能否根據(jù)s的要求，設(shè)計所需工作流量特性是關(guān)鍵問題。圖1 控制閥工作狀況下流量特性的畸變f（l）與g（l）的關(guān)系如式（2）所示：

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥根據(jù)式（2），可確定不同可調(diào)比R下，為達到線性或?qū)?shù)工作流量特性時控制閥的固有流量特性。表1是根據(jù)不同壓降比下為達到線性工作流量特性時控制閥的固有流量特性值；圖2是為達到線性工作流量特性應(yīng)采用的曲線；圖3是為達到等百分比工作流量特性應(yīng)采用的曲線。表2是等百分比工作流量特性時的數(shù)據(jù)。
表1 線性工作流量特性時數(shù)據(jù)（R＝30）

圖2 線性工作特性控制閥所需固有流量特性

圖3 等百分比工作特性控制閥所需固有流量特性
表2 等百分比工作流量特性時數(shù)據(jù)（R＝30）

3 按工作流量特性設(shè)計控制閥的效果分析
按上述設(shè)計方法，可繪制不同s下的實際流量特性。圖4是按s＝0.4設(shè)計的線性流量特性的控制閥，并用于不同s時的流量特性，可見在s＝0.4時是標(biāo)準(zhǔn)線性流量特性。同樣，圖5是按s＝0.4設(shè)計的對數(shù)流量特性的控制閥，并用于不同s時的流量特性，在s＝0.4時是標(biāo)準(zhǔn)的等百分比流量特性。

圖4 線性工作特性控制閥實際流量特性

圖5 對數(shù)工作特性控制閥實際流量特性
與圖1比較，可以發(fā)現(xiàn)，按s＝0.4設(shè)計的控制閥線性工作流量特性和對數(shù)流量特性，在其他s值下，其曲線的畸變明顯減小。在s＝0.4時能夠獲得標(biāo)準(zhǔn)的線性工作流量特性和標(biāo)準(zhǔn)的對數(shù)流量特性，滿足應(yīng)用要求。由于特性曲線的畸變減小，使控制系統(tǒng)開環(huán)增益的變化減小。因此，明顯改善了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)的偏離度得到改善。
4 控制閥工作流量特性的確定
控制閥工作流量特性與被控生產(chǎn)過程特性有關(guān)。下面以換熱器生產(chǎn)過程為例，說明如何確定控制閥的工作流量特性。如圖6所示的單程、逆流、列管式換熱器，換熱器兩側(cè)沒有發(fā)生相變，列出熱量衡算式為式中：U———傳熱系數(shù)；Am———傳熱面積；ΔTm———平均溫度差，對單程、逆流換熱器，采用對數(shù)平均值，即：）換熱器的靜態(tài)特性基本方程可表示為

因此，載熱體流量qm2到出口溫度T1o通道增益可表示為
圖7顯示該環(huán)節(jié)的增益曲線。從圖7可見，K＞0，即載熱體流量增大時，出口溫度增大。換熱器生產(chǎn)過程是一個具有飽和非線性特性的過程，實際應(yīng)用中，可根據(jù)圖7確定控制閥的工作流量特性。圖8是所需工作流量特性曲線，由于設(shè)計換熱器時，當(dāng)加熱量不足時，會增大傳熱面積，因而，對進入飽和區(qū)有一定限制。圖8中還畫出了等百分比流量特性曲線，可見兩者的特性十分接近，通常在20%以下，等百分比流量特性的數(shù)值要大些（R＝30時的zui大偏差為3.333%）。

圖7 換熱器的特性注：曲線1，2，3，4表示的值圖8 控制閥工作流量特性示意

需注意，上述設(shè)計是根據(jù)qm1c1＝UAm確定的?？梢娺x擇等百分比流量特性是正確的。當(dāng)設(shè)計的換熱器進入飽和區(qū)的區(qū)域較大時，計算得到的控制閥工作流量特性會有較大差別，但曲線的形狀仍相接近。
因此，如果控制閥的工作流量特性是等百分比流量特性，就可以很好地補償被控對象的非線性，大幅提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，明顯改善控制系統(tǒng)的偏離度。
5 結(jié)束語
考慮到工藝管路設(shè)計，通常以壓降比s為0.3～0.5為設(shè)計依據(jù)，因此，用s＝0.3時線性和等百分比工作流量特性作為依據(jù)，設(shè)計，可以獲得很好的控制效果。這種“量身定制”的設(shè)計方法，還可以根據(jù)實際應(yīng)用的壓降比和被控對象的靜態(tài)特性確定所需工作流量特性，并設(shè)計合適的，為控制閥的應(yīng)用提供控制。
實際應(yīng)用中，以壓降比s為0.3～0.4為設(shè)計依據(jù)，可提供具有更優(yōu)良工作流量特性的控制閥，因此，是提高控制閥控制品質(zhì)的有效途徑。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有角式平衡型截止閥設(shè)計說明