控制閥固有流量特性

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之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現在介紹摘 要：控制閥固有流量特性是制造商出廠時所具有的，當安裝到現場后，由于閥兩端壓降與系統壓降之比不為1，造成固有流量特性發生畸變，因而控制系統開環增益不能保持恒定，使控制系統穩定性變差。采用被控對象靜態特性確定控制閥工作流量特性，然后根據應用條件下的壓降比，“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的穩定性。
關鍵字：控制閥 流量特性 壓降比 靜態特性

1 問題的提出
是制造商出廠時提供的。當控制閥在工業生產過程中使用時，由于存在壓降比s，使固有流量特性發生了畸變，流量特性上凸，造成閉環控制系統的穩定性等指標變差。通常，只能根據所需工作流量特性，按經驗法或根據壓降比法選用合適的固有流量特性。根據控制系統穩定運行準則，是否可根據被控生產過程的數學模型，先確定其合適的控制閥工作流量特性，滿足穩定性要求，提高控制系統的性能（例如，偏離度指標）；然后，根據所需控制閥工作流量特性和工況下的壓降比設計控制閥的固有流量特性，以實現量身定制控制閥流量特性，滿足應用要求。筆者根據控制閥工作流量特性、固有流量特性和壓降比的函數關系，設計了，進行預畸，使工作流量特性滿足應用要求。

對控制閥的特性選擇及改變，隨著現代技術的發展，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，并對現代工程上用控制閥特性補償對象特性，達到系統穩定運行的硬件、軟件方法予以介紹。 
    1 控制系統需要不同控制閥特性
    控制閥流量特性的選擇影響系統的穩定運行，實際應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，而開環總增益基本不變，來滿足控制系統穩定運行準則。但控制閥特性都是按理想流量特性（固有流量特性）來設計制造，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系統穩定運行準則，通過調節機構的特性來補償因對象特性變化而造成的開環總特性變化的影響。

圖1 控制閥理想流量特性與閥芯形狀圖

    2.2 工程實際應用上對控制閥理想特性的選擇
    由于控制閥是系統調節的重要手段之一，各行業都有多年實際應用的經驗，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造紙行業由于纖維等原因用到快開閥；②石化、化工、醫藥等行業一般只用到線性，等百分比兩種特性；③由于控制閥在動作不快時，等百分比都適合應用，有些行業從習慣上，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，如溫度調節對象應選用等百分比閥，通常每個裝置含有多個溫控對象。

當前，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控制品質具有重要意義。為此，筆者對“量身定制”工作流量特性進行研究，并據此設計。

2 工作流量特性的設計
控制閥安裝在現場后，其固有流量特性畸變成為工作流量特性，設固有流量特性用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。可見，控制閥工作狀況下固有流量特性發生變化，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，即系統壓降全部降落在控制閥兩端時，工作流量特性不發生畸變。
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，上凸越嚴重，流量特性的畸變使原有控制系統的總開環增益變化，會嚴重影響系統控制品質。
為此，常用的方法是根據所需工作流量特性確定。解決固有流量特性畸變的設計思路是根據壓降比設計。其設計依據：根據節能要求，在工藝設計時，通常以壓降比為0.3～0.5設計管路和選用供能設備；控制閥閥瓣的設計依據是流量特性函數，只要有所需的流量特性函數關系，就可設計閥瓣；數控機床等加工設備的廣泛應用使復雜函數關系的閥瓣設計變得容易。因此，能否根據s的要求，設計所需工作流量特性是關鍵問題。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,電動截止閥根據式（2），可確定不同可調比R下，為達到線性或對數工作流量特性時控制閥的固有流量特性。表1是根據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采用的曲線；圖3是為達到等百分比工作流量特性應采用的曲線。表2是等百分比工作流量特性時的數據。
表1 線性工作流量特性時數據（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據（R＝30）

3 按工作流量特性設計控制閥的效果分析
按上述設計方法，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時是標準線性流量特性。同樣，圖5是按s＝0.4設計的對數流量特性的控制閥，并用于不同s時的流量特性，在s＝0.4時是標準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 對數工作特性控制閥實際流量特性
與圖1比較，可以發現，按s＝0.4設計的控制閥線性工作流量特性和對數流量特性，在其他s值下，其曲線的畸變明顯減小。在s＝0.4時能夠獲得標準的線性工作流量特性和標準的對數流量特性，滿足應用要求。由于特性曲線的畸變減小，使控制系統開環增益的變化減小。因此，明顯改善了控制系統穩定性，控制系統的偏離度得到改善。
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過程特性有關。下面以換熱器生產過程為例，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，換熱器兩側沒有發生相變，列出熱量衡算式為式中：U———傳熱系數；Am———傳熱面積；ΔTm———平均溫度差，對單程、逆流換熱器，采用對數平均值，即：）換熱器的靜態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顯示該環節的增益曲線。從圖7可見，K＞0，即載熱體流量增大時，出口溫度增大。換熱器生產過程是一個具有飽和非線性特性的過程，實際應用中，可根據圖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，由于設計換熱器時，當加熱量不足時，會增大傳熱面積，因而，對進入飽和區有一定限制。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，上述設計是根據qm1c1＝UAm確定的。可見選擇等百分比流量特性是正確的。當設計的換熱器進入飽和區的區域較大時，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，大幅提高控制系統穩定性，明顯改善控制系統的偏離度。
5 結束語
考慮到工藝管路設計，通常以壓降比s為0.3～0.5為設計依據，因此，用s＝0.3時線性和等百分比工作流量特性作為依據，設計，可以獲得很好的控制效果。這種“量身定制”的設計方法，還可以根據實際應用的壓降比和被控對象的靜態特性確定所需工作流量特性，并設計合適的，為控制閥的應用提供控制。
實際應用中，以壓降比s為0.3～0.4為設計依據，可提供具有更優良工作流量特性的控制閥，因此，是提高控制閥控制品質的有效途徑。與本文相關的產品有角式平衡型截止閥設計說明