0 引言    

調(diào)節(jié)閥與工業(yè)生產(chǎn)過程控制的發(fā)展同時進(jìn)行。為了提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，對控制系統(tǒng)系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)提出了更高的要求。例如，檢測元件和變送器需要更高的檢測和變送精度、更快的響應(yīng)和更高的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、更小的死區(qū)和摩擦、更好的復(fù)制和更短的響應(yīng)時間以及補償對象的非線性流量特性。同時，由于工業(yè)生產(chǎn)過程的大規(guī)模和精細(xì)化，對調(diào)節(jié)閥也提出了更高的要求。

1 調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)參數(shù)

1.1 調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)

流量系數(shù)表示當(dāng)流體通過閥門產(chǎn)生單位壓力損失時，流流量系數(shù)具有不同的代碼和值。

采用國際單位制時，流量系數(shù)采用Kv表示。流量系數(shù)Kv定義為：

調(diào)節(jié)閥兩端的壓差為0.1MPa時，溫度為278K-313K（5℃-40℃）水每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的立方米m³/h表示。流量系數(shù)隨閥門的尺寸、形式和結(jié)構(gòu)而變化，流體流過閥門時的壓力損失越小。

   調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv值是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)，反映了調(diào)節(jié)閥通過流體的能力，即調(diào)節(jié)閥的容量。根據(jù)調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv調(diào)節(jié)閥的直徑可以通過計算來確定。

1.2 阻力系數(shù)    

當(dāng)流體通過彎頭和截面突變時，會有干擾和攪拌，形成氣穴、漩渦和尾流，或使流體質(zhì)量點相互沖擊，產(chǎn)生較大的能量損失。可以認(rèn)為，調(diào)節(jié)閥腔內(nèi)的每個部件都可以被視為產(chǎn)生阻力的部件系統(tǒng)（流體轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)展、縮小、再轉(zhuǎn)彎等）。調(diào)節(jié)閥內(nèi)的阻力損失等于調(diào)節(jié)閥各部件阻力損失的總和。調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)是表示調(diào)節(jié)閥對流體的阻力損失，這取決于閥門產(chǎn)品的尺寸、結(jié)構(gòu)和內(nèi)腔形狀。當(dāng)流體通過閥門時，其流體阻力損失通常會降低閥門前后的流體壓力△p表示，即△p＝ξρv²/2。

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1.3 壓力恢復(fù)系數(shù)

圖1 流體通過調(diào)節(jié)閥時壓力和流速的變化

在建立流量計算公式時，為了簡化計算，將調(diào)節(jié)閥模擬為節(jié)流孔板，不考慮閥結(jié)構(gòu)對流量的影響，當(dāng)流體通過調(diào)節(jié)閥時，壓力由閥前壓力p1直接變化到閥后壓力p2.事實上，當(dāng)流體流動時，壓力變化如圖1所示。從圖1可以看出，閥芯和閥座由于節(jié)流而在附近下游產(chǎn)生縮流，其流體流量最大，但靜壓最小。在遠(yuǎn)離縮流的地方，隨著閥門流量面積的增加，流體流量減小。由于相互摩擦，部分能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)部能量，大部分靜壓恢復(fù)，形成閥門壓差。換句話說，節(jié)流處的流體壓力急劇下降，并在隨后的節(jié)流通道中逐漸恢復(fù)，但無法恢復(fù)到原來的p1值。這就是壓力恢復(fù)現(xiàn)象。

壓力恢復(fù)系數(shù)F_L表示調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體流經(jīng)縮流處后，動能轉(zhuǎn)化為靜壓的恢復(fù)能力。F_L值是閥體內(nèi)幾何形狀的函數(shù)。由于結(jié)構(gòu)不同，各種閥門的壓力恢復(fù)能力和壓力恢復(fù)系數(shù)也不同。一般來說，F(xiàn)_L=0.5-0.98.壓力恢復(fù)系數(shù)F_L調(diào)節(jié)閥流路設(shè)計越小，流動阻力越小，壓力恢復(fù)能力越好，即收縮后，靜壓可恢復(fù)接近進(jìn)口壓力，稱為球閥、蝶閥等高壓恢復(fù)閥。壓力恢復(fù)系數(shù)FL調(diào)節(jié)閥越大，說明閥門流路復(fù)雜，流阻大，摩擦損失大，調(diào)節(jié)閥后進(jìn)口壓力降低大。因此，壓力恢復(fù)能力差，稱為單座閥、雙座閥等低壓恢復(fù)閥。

2 閃蒸、空化及其影響

在調(diào)節(jié)閥中流動的液體通常有閃蒸和空化。如圖1所示，當(dāng)壓力為時P當(dāng)1的液體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流時，流量突然急劇增加，靜壓突然下降。P當(dāng)2達(dá)到或低于流體所在條件下的飽和蒸汽壓力時，部分液體蒸發(fā)成氣體，形成氣體和液體的共存現(xiàn)象，稱為閃蒸。閃蒸導(dǎo)致氣體和液體兩相流動，氣體和液體同時流過閥芯和下游管道，導(dǎo)致沖刷，其特點是閥芯光滑拋光形狀?？梢钥闯?，當(dāng)產(chǎn)生閃蒸時，它開始侵蝕和損壞閥芯和閥座材料；閃蒸也影響液體流量計算公式的正確性，使計算復(fù)雜。

若產(chǎn)生閃蒸，P2不是保持在飽和蒸汽壓力以下，而是在離開節(jié)流后突然上升，當(dāng)氣泡破裂并轉(zhuǎn)化為液體時，這個過程就是空化?？梢钥闯?，空化是一種兩階段的現(xiàn)象，第一階段，破裂，即空化階段?？栈瘯拐{(diào)節(jié)閥產(chǎn)生堵塞流和蒸汽腐蝕。許多氣泡集中在閥門的節(jié)流孔中，阻礙流體的流動，自然影響流量的增加，產(chǎn)生堵塞。

3 調(diào)節(jié)閥的流量特性

3.1 理想可調(diào)比

當(dāng)調(diào)節(jié)閥前后壓差保持不變時，可調(diào)比稱為理想可調(diào)比，其計算公式為R=Qmax/Qmin=Kvmax/Kvmin?？梢钥闯觯硐氲目烧{(diào)比等于Kvmax(最大流量系數(shù))和Kvmin(最小流量系數(shù))的比例。它反映了調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力。如果只從自控的角度考慮，可調(diào)比越大越好，但由于調(diào)節(jié)閥閥瓣結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝的限制，Kvmin不能太小，一般國內(nèi)設(shè)計R=30或R=50。

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3.2 流量特性

調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過閥的相對流量與相對位移（閥的相對開度）之間的關(guān)系。用數(shù)學(xué)表達(dá)表示Q/Qmin=f（l/L），式中Q/Qmax是相對流量，即調(diào)節(jié)閥在一定開度時流量Q與全開流量Qmax之比；l/L是相對位移，即調(diào)節(jié)閥在一定開度時的閥芯位移l與全開位移L之比。

一般來說，流量可以通過改變調(diào)節(jié)閥芯與閥座之間的循環(huán)截面積來控制。但在實際情況下，由于各種因素的影響，通過閥門的流量可能會隨著壓降而變化。為便于分析，設(shè)置閥壓降，然后延伸到實際情況進(jìn)行分析，前者稱為閥固有流量特性，后者稱為閥工作流量特性。

3.2.1 固有流量特性

閥門的固有流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量與相對位移（閥門的相對開度）之間的關(guān)系。閥門的固有流量特性不同于結(jié)構(gòu)特性（閥門的結(jié)構(gòu)特性是指閥芯位移與流體通過截面積之間的關(guān)系，純粹由閥芯的大小和幾何形狀決定）。

3.2.2 工作流特性

在實際生產(chǎn)過程中，閥門的壓差總是變化的，這時流量特性稱為工作流量特性。因為調(diào)節(jié)閥往往和工藝設(shè)備、管道等串聯(lián)或并聯(lián)適用，流量因阻力損失的變化而變化，在實際工作中因閥門前后壓差的變化而使理想流量特性畸變成工作特性。

3.2.3 流量特性選擇標(biāo)準(zhǔn)

生產(chǎn)過程中常用的調(diào)節(jié)閥的理想流量特性包括直線、等百分比和快速打開。拋物線的流量特性介于直線和百分比之間，通?？梢杂玫劝俜直却?，而快速打開特性主要用于二位調(diào)節(jié)和程序控制。因此，調(diào)節(jié)閥的特性選擇實際上是指如何選擇直線和等百分比的流量特性。

調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇可以通過理論計算，但使用的方法和方程非常復(fù)雜，由于干擾的不同，高級響應(yīng)方程的計算更加復(fù)雜。因此，調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇主要采用經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)。可從以下幾個方面考慮：

(1)分析和選擇調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量；

(2)考慮和選擇工藝配管；

(3)分析和選擇負(fù)載變化。

4 結(jié)束語

調(diào)節(jié)閥作為一種常用閥，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。其性能的提高對工藝效率的提高和能耗的降低起著重要的作用。因此，調(diào)節(jié)閥的流量特性具有重要的工業(yè)應(yīng)用價值。