铠沃阀门解析调节阀流量特性理论

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在过程控制系统的设计阶段，正确选用调节阀的流量特性（以下简称选用），是一个要解决的技术问题，对提高系统的调节品质起事半功倍的作用。

从现有文献看，理论选用方法尚在研究探索之中，设计中大都采用经验准则解决选用问题。然而各种文献给出的经验准则并非全都一致，有些经验准则对适用范围交待不清。例如常见的换热器出口温度控制系统，有相变传热与无相变传热的选用结论不全相同。若不明白选用理论，机械地套用经验准则，有可能会导致选用失误。因此，对选用的理论、及方法进行研究很有必要。



由图1可知，当调节器已整定，则Kc为常量，选用的理论依据为

Ko = Kv*Kp*Km≈常量 （1）

式中：Ko、Kv、Km—分别为系统广义对象、调节阀、被控对象、检测变送器的放大系数。

从选用角度分析式（1）：

（1）选用的目的是以Kv补偿Kp、Km，对Ko作非线性校正。若系统运行中无干扰施入，即Kp、Km的工作点不变，则不需作非线性校正，选用任何一种流量特性调节阀都能符合式（1）要求。所以，无干扰就不存在选用问题，研究选用的理论与方法，联系干扰因素来了解其适用性。

（2）选用的过程是根据系统主要干扰作用下的Kp、Km变化规律，选定符合式（1）要求的，在该干扰作用下的Kv变化规律。由于Km的变化规律决定于检测、变送器整机输出入信号之间的固有函数关系，与干扰因素无关。因此，解决选用的关键，在于对系统主要干扰作用下的Kv、Kp变化规律的求取与了解。

（3）从现有的各种理论选用方法看，实质上都是采用定性分析的方法，来解决选用问题。所以对选用有实用意义的是了解常用的线性、对数，快开流量特性调节阀在各种干扰作用下所反映的Kv变化规律，以用作选用依据；了解常用的各种理论选用方法，求取干扰作用下Kp变化规律的可行性与适用性，这将对设计人员选择选用的方法，具有指导意义。

根据以上分析，文献通常给出的关于选用的论述，存在的问题主要表现为：对调节阀流量特性、Kv的论述，偏重一种形式，从选用角度看，有值得商榷之处；只给出理想工况（即阀前阀后压降ΔPv为恒值）下的各阀Kv变化规律，用于选用，对干扰的适用范围不清；没有联系干扰因素来论证求取Kv变化规律的可行性，以及对选用方法的适用性。因此，对选用缺乏实用意义，需加以修正与补充。

本文旨在解决上述问题，下文将探讨文献对阀流量特性、Kv的论述；从讨论阀流量特性与Kv的四种表达形式着手，以推导所得的用变量Q/Qmax、Q、C/Cmax或C所表征的各阀四种Kv表达式为依据，根据分析给出的有关变量在干扰作用下的状态，给出线性、对数、快开流量特性调节阀在干扰作用下所呈现的Kv变化规律，以及对选用的适用范围；论证求取干扰作用下Kp变化规律的可行性，及对选用方法的适用性。

2、探讨文献对阀流量特性、Kv的论述

2.1 分析有关变量在干扰作用下的状态

为方便下文的讨论，需先了解有关变量在干扰作用下的状态。某一开度或全开时阀的流量方程分别为：



式中：
g—重力加速度，是恒值；
ρ—密度，不可压缩流体p为恒值；
C—阀的流通能力；
Cmax—已确定通径调节阀的大流通能力，实质上即为根据工艺参数计算所得的系统大流量下的C值，在阀的标准产品系列中经设计人员合理圆整、选定的阀公称流通能力Cg，Cg为恒值，即Cmax为恒值。

无论用经验准则、或是理论方法选用，通常都是在众多干扰中，确定一个出现频，对被控变量y影响大的干扰，作为系统主要干扰变量来考虑选用，其它次要干扰则均视为常量。

干扰形式众多，一般可等效视为广义的负荷（即非Δpv干扰）或Δpv干扰两种类型。
由此，依据式（2）、（3）可知：

（1）定值系统负荷为主要干扰，Δpv等次要干扰可视为常量；Qmax为常量；Cmax为恒值；Q，C为变量。

（2）定值系统Δpv为主要干扰，负荷等次要干扰可视为常量；Δpv为变量；Cmax为恒值；由式（3）知，Qmax∝Δpv，即Qmax为变量；Q的状态可作如下分析，因给定值X为恒值，由工艺操作的物料或能量平衡原理，以及系统的调节过程可知，Δpv干扰施入之初引起Q的变化，会很快被系统的调节作用改变阀的开度所克服，系统稳态时Q仍为Δpv干扰施入前的流量值不变，所以Q仍可视为常量；C随阀的开度而变，所以C为变量。

以上结论，下文讨论中作为已知条件引用。

2.2、探讨文献通常采用的论述形式

对阀的流量特性，通常都以流体流过阀的相对流量Q/Qmax与阀杆相对行程L/Lmax之间的函数关系定义。定义式为

Q/Qmax=f（L/Lmax） （4）

对各阀流量特性、Kv的论述可归纳如表1所述。



表中K为比例常数，线性阀K=1-1/R，对数阀K=InR，快开阀K=（1-1/R2）/2；R为阀的理想可调范围，R=Qmax/Qmin=Cmax/Cmin=30。

文献所称的各阀理想流量特性曲线见图2。



结合图2分析文献对阀流量特性的定义，是用Q/Qmax与L/Lmax两个相对无因次变量之间的函数关系来表征，实质上是表征阀的相对流量特性。所以（4）式应确切地称为阀的相对流量特性定义式；图2应确切地称为各阀的理想相对流量特性曲线图；在图2曲线上的各点作切线，其斜率的变化反映了以Q/Qmax表征的各阀相对放大系数（记为K'VQ）的变化规律；切线的数学式，即为阀相对放大系数的定义式

K'VQ =d（Q/Qmax）/d（L/Lmax） （5）

因而表1中的流量特性表达式，应确切地称为调节阀相对流量特性表达式。由式（5）可知，即为各阀的K'VQ表达式（见表2），反映了理想工况下，以Q/Qmax表征的各阀K'VQ变化规律，由式（3）知，理想工况下Qmax为常量，由此方可把各阀的K'VQ变化规律表达为如表1所述，以有因次变量Q所表征的各阀放大系数K，变化规律的形式。所以，表1给出的Kv变化规律的形式。所以，表1给出的K，变化规律，实质上出自各阀的K'VQ变化规律，其成立条件为理想工况。

因此，表1给出的各阀Kv变化规律用于选用，适用范围不清，需明确对干扰的适用范围。

（1）定值系统负荷为主要干扰：已知Δpv，Qmax可视为常量，与以上分析给出的各阀K'VQ或KV变化规律的成立条件相同，可适用于选用。

（2）定值系统Δpv为主要干扰；已知Δpv、Qmax为变量，与各阀K'VQ或KV变化规律的成立条件不符，图2也不成立，所以不能适用于选用。

由此，从选用角度看表1，应如表2所示。



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