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调节阀全解_图

2019-07-02

  第四章 §4-1 §4-2 §4-3 §4-4 调节阀 气动调节阀结构 调节阀的流量系数 调节阀结构特性和流量特性 气动调节阀选型 1 简单控制系统组成: 被控对象,测量变送装置,调节器和调节阀组成. 其中调节阀主要包括执行机构和阀体两部分. 调节阀的作用: 接受调节器送来的控制信号, 调节管道中介质的流量(即改变调节量), 从 而实现生产过程的自动化. 本章学习目的: 了解调节阀的结构原理, 掌握 调节阀流通系数和流量特性等概念, 最终通过 计算选择合适的调节阀。 电磁阀 阀 调节阀 2 温度控制系统示意图 调节阀按所用能源可分为气动, 电动和液动三类. 气动: 压缩空气作为能源, 结构简单, 输出推力 较大, 维修方便, 价格低廉, 防火防爆 按能源分 电动: 能源取用方便, 信号传递迅速, 但结构复 杂, 防爆性能差 液动: 液动控制阀推力最大, 但较笨重, 现已很 少使用 3 三种执行器的特点比较 比较项目 气动执行器 电动执行器 液动执行器 结构 体积 推力 配管配线 动作滞后 频率响应 维护检修 使用场合 温度影响 成本 简单 中 中 较复杂 大 狭 简单 防火防爆 较小 低 复杂 小 小 简单 小 宽 复杂 隔爆型才防火防爆 较大 高 简单 大 大 复杂 小 狭 简单 要注意火花 较大 高 4 气动薄膜调节阀 电动调节阀 执行 机构 阀门定 位器 阀体 5 执行机构 阀门定位器 阀 公称直径Dg 阀座直径dg 6 7 §4-1 气动调节阀的结构 气动调节阀由执行机构和阀两部分组成. 执行机构: 按照控制信号的大小产生相应的输出力, 带动阀杆移动. 阀: 直接与介质接触, 通过改变阀芯与阀座间的节流面积调节流体介质 的流量 一 气动执行机构 气动执行机构有薄膜式和活塞式两种.常 见的气动执行机构均为薄膜式,它结构简 单,价廉,输出行程小. 气动薄膜式执行机构作用型式: 正作用: 信号压力增加时,推杆向下移动 (ZMA) 反作用: 信号压力增大时,推杆向上移动 (ZMB) 执行机构作用:将气压p---阀杆位移L 8 pc 执 行 机 构 u(t) 电气 转换器 pc 执行 l 机构 阀体 f 管路 系统 q ....... ....... u(t): 控制器输出( 4~20 或 0~10 mA DC) pc : 调节阀气动控制信号; l: 阀杆相对位置; f : 相对流通面积; 阀 体 q : 受调节阀影响的管路相对流量。 9 二 阀 阀(或称阀体组件)是一个局部阻力可变的节流元件.普通阀包括阀芯, 阀座和阀杆等. 根据流体通过调节阀时对阀芯作用方 向分为流开阀和流闭阀. 流开:介质的流动方向有推动阀门打 开的趋势,称流开 . 流闭:介质的流动方向有推动阀门关 闭的趋势,则称流闭. 流开阀稳定性好,有利于调节,一般多 采用流开阀 阀的作用: 阀杆位移L---?调节流量Q 10 阀芯的正装和反装: 正装阀:阀芯下移,阀芯与阀座间的流通截面积减小 反装阀:阀芯下移,阀芯与阀座间的流通截面积增大 阀的开关方式: 无气压时关闭 气开式:阀的开度随气压的增大而增大: p↑ f↑ 气关式:阀的开度随气压的增大而减小: p↑ f↓ 执行机构与阀门的配合 根据执行机构正、反作用型式以及阀芯的正装、反装可以实现调节阀的 气开、气关方式: 11 “气开”与“气关”的选择原则 基本原则: 根据安全生产的要求选择控制阀的气开气关。 若无气源时, 希望阀全关, 则应选择气开阀; 若无气源时,希望 阀全开,则应选择气关阀. 实际应用: 当气源中断或电源中断时, ?进入装置的原料、热源应切断: 进料阀选气开 ?切断装置向外输出产品: 出料阀选气开 ?精馏塔回流应打开: 回流阀选气关 12 阀的结构形式及选择 (1)直通单座控制阀。阀体内只有一个阀芯和阀座, 如图所示。其特点是结构简单,泄漏量小,易于保 证关闭甚至完全切断。但是在压差较大的时候,流 体对阀芯上下作用的推力不平衡,这种不平衡推力 会影响阀芯的移动。因此直通单座控制阀一般应用 在小口径、低压差的场合。 (2)直通双座控制阀。阀体内有两个阀芯和阀座, 由 于流体流过的时候,作用在上、下两个阀芯上的推 力方向相反而大小近于相等,可以相互抵消,所以 不平衡力小。但是由于加工的限制,上、下两个阀 芯和阀座不易保证同时密闭,因此泄漏量较大。直 通双座控制阀适用于阀两端压差较大、对泄漏量要 求不高的场合,但由于流路复杂而不适用于高黏度 和带有固体颗粒的液体。 图 直通单座控制阀 图 直通双座控制阀 13 (3)角型控制阀. 角型控制阀的两个接管呈直角形, 其他结构与单座阀相类似。角型阀的流向一般为底 进侧出,此时其稳定性较好;在高压差场合,为了 延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向,但容易 发生振荡。角型控制阀流路简单,阻力较小,不易 堵塞,适用于高压差、高黏度、含有悬浮物和颗粒 物质流体的控制。 (4)隔膜控制阀. 隔膜控制阀采用耐腐蚀衬里的阀体 和耐腐蚀隔膜代替阀芯阀座组件,由隔膜位移起控制 作用, 如图所示. 隔膜控制阀结构简单, 流路阻力小, 流量系数较同口径的其他阀大. 由于介质用隔膜与外 界隔离, 故无填料, 介质也不会泄漏,所以隔膜控制阀 无泄漏量. 隔膜控制阀耐腐蚀性强, 适用于强酸, 强 碱, 强腐蚀性介质的控制, 也适用于高黏度及悬浮颗 粒状介质的控制。 图 角型控制阀 图 隔膜控制阀 14 (6)蝶阀. 蝶阀又名翻板阀, 如图所示. 蝶阀具有结构简单, 重量 轻, 价格便宜, 流阻极小的优点, 但泄漏量大, 适用于大口径,大 流量,低压差的场合,也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质 的控制。 (7)球阀. 球阀的阀芯与阀体都呈球形体, 转动阀芯使之处于不 同的相对位置时, 就具有不同的流通面积, 以达到流量控制的 目的, 如图所示。 图 蝶阀 图 球阀 15 三、阀门定位器 气动阀门定位器是一种辅助装置, 根据调节器来的气动信号控制气动调 节阀门部件, 使阀门开度处于精确位置. 其应用场合为: (1) 提高系统控制精度. (2) 系统需要改变调节阀的流量特性. (3) 组成分程控制系统 并不是任何情况下采用阀门定位器都是合理的.在如液体压力和流量 这样的快速控制过程,使用阀门定位器可能对控制质量有害. 16 §4-2 调节阀的流量系数 流量系数是表示调节阀流通能力的参数. 它根据流量、阀两端的差压和 流体的密度等确定。是选择阀口径的参数. 1kgf/cm2 一 流量系数的定义及其物理意义 我国规定的流量系数C为: 在给定行程下, 阀两端压差为0.1Mpa, 水密 度为1g/cm3时, 流经调节阀的水的流量, 以m3/h表示 (体积流量). 阀全 开时的流量系数为调节阀额定流量系数, 以C100表示. 它作为阀的基本 参数由制造厂家提供给用户。 表4.1为根据C100选择阀门直径表 例如一台额定流量系数为32的调节阀, 表示阀全开且两端的压差为 0.1 MPa时,每小时最多能通过32m3的水量. 17 补充知识: 伯努利方程 1 2 p ? ? v ? ? gh ? const 2 1)伯努利方程表述的是理想 流体作定常流动时,流体 中压强和流速的规律。 2)在流动的流体中,流速大 的地方压强小;流速小的 地方压强大。 3)伯努利方程阐明的位能、 动能、静压能相互转换的 原理. 18 调节阀是一个局部阻力可变的节流元件.对于不可压缩的流体,由能量 守恒(伯努利方程)可知,调节阀上的压力损失为: p1 ? p2 ?2 h? ? ?v ?g 2g (4-1) 式中,ξv为调节阀阻力系数;g为重力加速度;ρ为流体密度;p1, p2为 调节阀前后压力;ω为流体平均速度. 因为 Q ?? F (4-2) p1 Q p2 Q—流体体积流量, F---调节阀流通截面积 F:阀通流截面积 ξν :阀阻力系数 ρ:流体密度 g:重力加速度 19 由上两式可得调节阀流量方程 Q? 当 ( p1 ? p2 ) AF p1 ? p2 ?v ? (4-3) A---与单位制有关的常数 ? 不变时,流量Q随 F F ? v 而变化 根据C的定义,在流量方程中令p1-p2=1, ρ=1可得 C?A ?v 因此, 对于其它的阀前后压降和介质密度, 则有 Q C? (4-4) ( p1 ? p2) ? 注意: 流量系数C不仅与流通截面积F(或阀公称直径Dg)有关,而且 还与阻力系数ξv有关.同类结构的调节阀在相同的开度下具有相近 的阻力系数,因此口径越大流量系数也随之增大; 口径相同类型不 同的调节阀,阻力系数不同,流量系数也各不相同. 20 由于采用的单位制有公制和英制之分,国际上通用两种不同的流量系数 Kv和Cv, 通过单位制变换它们与C的关系为: Kv ? C; 二 流量系数计算公式 Cv ? 1.167C (4-5) 流量系数的计算是选定调节阀口径的最主要的理论依据.表4.2列举了 液体,气体和蒸汽等常用流体C值的计算公式. 注意事项: ① 两套计算公式(国际单位制SI和工程单MKS位制)单位有所不同. ② 计算前要做阻塞流判断 ③ 计算公式使用于牛顿型不可压缩流体,可压缩流体以及这两种流 体的均匀混合体. ④ 根据要求计算满足要求的C值,以此为依据选择适当的调节阀. 21 1. 阻塞流对流量系数计算的影响 流体体积流量计算公式为: Q ? C ? ( p1 ? p2 ) ? 阻塞流是指, 当阀前压力p1保持恒定而逐步降低阀后压力p2时, 流经调 节阀的流量会增加到一个最大极限值, 若再继续降低p2流量也不再增加, 此极限流量称为阻塞流. 此时,调节阀的流量与阀前后压降 △p=p1-p2的关系以不再遵循公式 Q C? 的规律. 右图中, ( p1 ? p 2) ? 当压降大于 ?pcr 时, 就会出现 P1恒定时Q与 ?p 的关系 阻塞流, 此时按4--4计算出的流量 会大大超过阻塞流Qmax, 因此在计 算C值时首先要确定调节阀是否处 于阻塞流情况. 22 ① 气体的阻塞流条件: 压差比x= △p/p1 ≥xTFk xT---空气在某一调节阀时的临界压 差比,决定于调节阀结构(表4.3) Fk---比热比系数,气体与空气的绝热 指数之比, Fk=k/kair (kair=1.4) (表4.9) ② 液体(不可压缩流体)的阻塞流 调节阀内流体压力梯度图 p1 p2 ⅰ) 产生阻塞流的原理 23 产生的条件: ?p ? p1 ? p2 ? FL2 ( p1 ? FF pv ) pc---介质临界压力 p1---调节阀进入端压强, FF---液体临界压力比系数 pv---入口温度下流体介质饱和蒸汽压 FF ? 0.96 ? 0.28 pv pc FL---压力恢复系数 F ? ?p ?p ? ( p ? p ) ( p ? p ) L cr vcr 1 2 cr 1 vcr 对于一个给定的调节阀,FL为一个固定常数,它只与阀结构,流路形式有关, 与阀口径大小无关. 查表4.3可得到. 流量(液体)系数C的计算: 运算时单位: ① 判断是否产生阻塞流,判别条件按上式 QL---m3/h ② 如果未发生阻塞流,则△p=p1-p2 发生了阻塞流,则△p=FL2(p1-FFpv) ③ 按公式计算 △p---Kgf/cm2 ρ---g/cm3 (工程单位制(MKS)) (国际单位制(SI)) 运算时单位: C ? QL ? L ?p QL---m3/h △p---KPa 3 ρ---g/cm24 C ? 10QL ?L ?p 注意: 同一组数据,用两种公式计算的结果是相同的 如: △p=1kgf/cm2 表示为国际单位制为 △p=10/(0.01)2=100kPa 使用国际单位制计算为: C ? 10QL ?L ?p ? 10QL ?L 100 ? QL ?L 使用工程单位制计算为: C ? QL ?L ?p ? QL ?L 1 ? QL ?L 25 2. 低雷诺数修正 当雷诺数Re2300时, 不能按式4-4计算C值, 必须加以修正. 修正后的流 量系数C’为: C ? C FR FR---雷诺修正系数, 根据雷诺数Re由图4.10查得 雷诺数Re的计算: ① 对于直通单座阀,套筒阀, 球阀等只有一个流路的调节阀, 雷诺数为 Re ? 70700 QL ? C ② 对于直通双座阀,蝶阀,偏心旋转阀等具有两个平行流路的调节阀 QL Re ? 49490 ? C υ---液体介质的运动粘度,10-6m2/s 在工程计算中,当Re3500时可不做低雷诺数修正. 26 3. 气体(蒸汽)流量系数的修正 气体, 蒸汽等可压缩流体, 在调节阀内其体积由于压力降低而膨胀, 其密度 减小. 利用式4-4计算气体的流量系数, 会引起较大误差, 必须对气体的可 压缩效应作必要的修正.可以引入一个膨胀系数Y以修正气体密度的变化 x Y ? 1? 3FK xT 此外,在各种压力,温度下实际气体密度与按理想气体状态方程求得的 理想气体密度存在偏差。为衡量偏差程度大小,引入压缩系数Z p1 Z? ?1 RT1 R---气体常数 ρ1---阀入口处气体密度 27 4. 管件形状修正 使用上述流量系数计算公式要求管件形状满足的条件:调节阀的公称 直径必须与管道直径相同, 而且管道要保证有一定的直管段. 如果调 节阀实际配管状况不满足这些条件, 特别是在调节阀公称通径小于管 道直径, 阀两端装有渐缩器, 渐扩器或三通等过渡管件情况下, 由于过 渡管件上的压力损失,使加在阀两端的阀压降减小,使阀实际流量系数 减小. 因此, 必须对未考虑附接管件计算得流量系数进行修正. 管件形 状修正后的流量系数C为: C C ? Fp Fp---管件形状修正系数. 与调节阀上下游阻力系数; 阀入口, 出口处伯 努利系数有关 28 例4-1 某控制系统拟选用一台直线特性气动直通单座调节阀 (流开型) 已知:流体为液氨,最大计算流量条件下的计算数据为:p1=26200kPa, Δp=24500kPa, WL=6300kg/h; ρL=0.58g/cm3, υ=0.1964x10-6m2/s; t1=313K;D1=D2=20mm [解 ] (1) 阻塞流判别 查表得FL=0.9, Pc=11378kPa, Pv=1621kPa, 则 FF ? 0.96 ? 0.28 Pv Pc ? 0.96 ? 0.28 1621 11378 ? 0.85 产生阻塞流的临界压降为: 2 ?Pcr ? FL 2 ( P ? F P ) ? (0.9) (26200 ? 0.85 ?1621) 1 F v ? 20106kPa 由于ΔP=24500kPaΔPcr =20106kPa, 故为阻塞流 29 (2) Cmax值计算 QL ? WL ?L ? 6300/ 580 ? 10.86m3 /h 则: Cmax ? 10QL ?L ?Pcr ? 10 ?10.86 0.58 20106 =0.583 (3) 低雷诺数修正 70700QL 70700 ?10.86 12 Re ? ? ? 5.12 ? 10 ? C 0.1964 ?10?6 0.583 由于Re3500, 故不必做低雷诺数修正 (4) 初选C100值 查表4.1, C100≥Cmax且最接近Cmax的阀为Dg=19.15mm, dg=8mm, 此时 C100=0.8 30 (5) 管件形状修正 因为D1/Dg=20/19≈1.05, 不必做修正 (6) 调节阀相对开度验算 调节阀为直线特性, 最大流量时的相对开度 lmax=Cmax/C100=0.583/0.80 ≈ 73%, lmax80%, 可满足要求 结论: 选用额定流量系数为C100=0.8的直通单座阀满足要求 31 §4-3 调节阀结构特性和流量特性 调节阀的静态特性 Kv=dq/du u---调节器输出控制信号 q---被调介质流过阀门的相 u 调节阀 l 执行机构 阀 f 管道 q 调节阀与管道连接方框图 对流量 Kv的符号由调节阀的作用方式决定:气开式-----+ 气关式---- 调节阀的动态特性 Gv(s)=Kv/(Tvs+1),稳态值即为静态特性. 执行机构静态时输出l(阀门的相对开度)与u成比例关系, 所以调节阀静态 特性也称调节阀流量特性, 即q=f(l),它主要取决于阀的结构特性和工艺配 管情况. dq dl dq dq df dq Kv ? ? ? ?K ?K du du dl dl dl df 32 一 调节阀的结构特性 调节阀的结构特性是指阀芯与阀座间节流面积与阀门开度之间的关系, 通常用相对量表示为 f ? ? (l ) f=F/F100,相对节流面积,某一开度下节流面积F与全开时节流面积F100之比 l=L/L100,相对开度, 阀在某一开度下行程L与全开时行程L100之比 调节阀结构特性取决于阀芯的形状,阀芯形状有快开,直线. 直线结构特性 调节阀的节流面积与阀的开度成直线关系, 即 df ? Kf dl 边界条件: L=0时, F=F0, L=L100, F=F100 1 f ? [1 ? ( R ? 1)l ] R 可调比 R=F100/F0: Kf=(R-1)/R 阀的直线结构特性图 调节阀所能调节的最大流量与最小流量之比。 34 特点: ①结构特性的斜率在全行程范围内是常数 ②阀芯位移变化量相同时,节流面积变化量也相同 ③直线特性的调节阀在开度变化相同的情况下: ◆当流量小时, 流量的变化值相对较大, 调节作用较强, 易产生 超调和引起振荡; ◆流量大时, 流量变化值相对较小, 调节作用缓慢, 不够灵敏. 小开度时调节灵敏度过高, 大开度时调节又不够灵敏 相对变化率: ?f K f ? ?l ? f f 35 例: 设在相对节流面积分别为f=0.1, 0.5, 0.8时, 相对开度变化 Δl=10%时, 求三种情况下的节流面积变化率 (Kf=0.9) 直线: Δf/f = Kf*Δl/f = 0.9*0.1/0.1=90% f=0.5: Δf/f = Kf*Δl/f = 0.9*0.1/0.5=18% f=0.8: Δf/f = Kf*Δl/f = 0.9*0.1/0.8=11.25% 36 2. 等百分比(对数)结构特性 在任意开度下,单位行程变化所引起的节流面积变化都与该节流面积 本身成正比关系.可表示为: df ? Kf f dl 在边界条件: L=0时, F=F0, L=L100, F=F100时有 Kf=loge(R) f ? R(l ?1) f与l成对数关系,等百分比特性调 节阀在小开度时节流面积变化平 缓,大开度时节流面积变化加快, 保证在各种开度下的调节灵敏度 都一样. 阀的等百分比结构特性图 37 等百分比结构特点: ①曲线的放大系数是随开度的增大而递增的. ②在同样的开度变化值下: ◆流量小时(小开度时)流量的变化也小(调节阀的放大系数小), 调节平稳缓和. ◆流量大时(大开度时)流量的变化也大(调节阀的放大系数大), 调节灵敏有效. ③无论是小开度还是大开度, 相对流量的变化率都是相等的, 流量变化的百分比是相同的. 相对变化率: ?f K f ? ?l ? f ? ? K f ? ?l f f 38 例: 设在相对节流面积分别为f=0.1, 0.5, 0.8, 相对开度变化Δl =10%时, 求三种情况下的节流面积变化率 (Kf=3.4) 等百分比阀 f=0.1: Δf/f = Kf*f*Δl/f = 3.4*0.1=34% f=0.5: Δf/f = Kf*f*Δl/f = 3.4*0.1=34% f=0.8: Δf/f = Kf*f*Δl/f = 3.4*0.1=34% 39 3. 快开结构特性 结构简单,阀芯的最大有效行程为dg/4(dg为阀座直径),特性方程为 1 f ? 1 ? (1 ? )(1 ? l ) 2 R 灵敏度最差,很少用作调节阀 阀的快开结构特性图 40 4.抛物线结构特性 阀的节流面积与开度成抛物线 R 特性与等百分比特性接近. 阀的抛物线 四种阀的特性对比 100 80 3 1 4 1-直线 2 80 100 42 二 调节阀的流量特性 调节阀的流量特性是指流过阀门的流量与阀门开度之间的关系,可表示 为: q=Q/Q100, 为相对流量. q ? f (l ) 调节阀制成后, 其结构特性 f ? ? (l ) 就确定不变. 流过调节阀的流量的决 定因素有: ① 阀的开度 (F, f) ② 阀前后的压差 (ΔP) ③ 所在的整个管路系统的工作情况. Q? AF ?p ?v ? 由于节流面积f与相对开度l关系由阀门确定,可先讨论q与f的关系 已知 l f q 43 1. 理想流量特性 在调节阀前后压差固定(△p=常数)情况下得到的流量特性称为理想流量 特性.假设调节阀流量系数与阀节流面积成线性关系,即: C ? C100 f 因为 C100---额定流量系数 C?A ?p F ?v ? C100 f ?p C F ? ? f C100 F100 当调节阀全开时f=1,Q=Q100,则 通过调节阀的流量为 Q?C ? ? Q100 ? C100 ?p ? △p为常数, 则 Q C ? ?q? f Q100 C100 在调节阀前后压差△p固定的情况下,如果阀流量系数与节流面积成线 性关系,那么阀的结构特性f就是理想流量特性q. C与f的关系并不是严 格线性的,该结论只是大致正确. 44 理想情况下的调节阀静态特性: u 1) 直线阀 调节阀 l 执行机构 阀 f 管道 q dq dl df dq Kv ? ? ? K ?Kf du du dl df ? K ? ( R ? 1) / R 2) 等百分比阀 调节阀与管道连接方框图 常量 dq dl df dq Kv ? ? ? K ?Kf ? f du du dl df ? K ? loge R ? R(l ?1) 随相对开度而变化 45 2. 工作流量特性 调节阀在实际使用条件下,其流量q与开度l之间的关系称为调节阀工作 流量特性.此时阀压降不是常数. ΣΔp (1) 串联管系调节阀的工作流量特性 Q? C100 2 f 2 2 ?p ? ? ?pe ? ??p ΣΔpe Δp 调节阀与管道串联工作 Q2 ? ?p ? 2 ? ? ?p Ce f↑,Q↑, △p↓ Δp Δp ΣΔp 当总压降ΣΔp一定时, 随着阀开度的增大, 管道流 量Q增大, 阀上压降Δp将逐渐减小. 这样, 在相同 开度下, 工作流量比阀上压降保持不变的理想情 况小. ΣΔpe 0 Q 46 在串联管路上 Q ? C100 f ?p ? ? Ce ??pe ? Q ? C100 2 2 ?p 2 ??pe f ? Ce ? ? 2 C100 2 ??pe ? 2 f ??p Ce C100 2 2 ?p ? ??pe ? (1 ? 2 f )?p ? ??p Ce C100 2 2 ?p ? ??p (1 ? 2 f ) Ce 2 47 当全开时f=1时有 ?p100 令 ?p100 ?p100 S100 ? ? ??p ?p100 ? ??pe Ce 2 ? C100 2 ? Ce 2 Ce 2 C1002 ? ??p (1 ? 2 ) ? ??p 2 2 Ce C100 ? Ce 全开阀阻比S100, 表示调节阀全开时 的压降Δp100与系统总压降ΣΔp之比 S100=1, 则ΣΔpe=0, Δp100=ΣΔp, 阀压降等于系统总压降, 理想状 况 S100 则 C1002 2 1 ?p ? ??p (1 ? 2 f ) ? ??p [1 ? ( ? 1) f 2 ] Ce S100 48 F ?p ? Q ?p q? ? ? f Q100 F100 ??p ? ??p ??p [1 ? (1 S100 ? 1) f 2 ] ? f? ??p 1 ? f 1 [1 ? ( ? 1) f 2 ] S100 49 将阀结构特性 f ? ? (l ) 代入上式可得下图所示调节阀工作流量特性 由于串联管道阻力的影响,阀 的工作流量特性与理想情况 下发生了畸变. 随着S100的减小 直线结构特性 ? 快开特性 等百分比 ? 直线很小时 ① 阀的压降Δp在整个管道系统总压降ΣΔp所占比重小,在较大开度下 调节流量的作用不灵敏 ② 阀的结构特性发生畸变, 调节范围变小(可调比变小), 特性变坏 ③ 不希望低于0.3~0.5 50 可调比的变化 调节阀的理想可调比:阀压降恒定的情况下,所能控制的最大流量 Q100 与最小流量Q0之比 Q100 Ri ? Q0 Q0---恒压可控的下限值,通常为Q100的2~4%,不同于阀的泄露量 在调节阀压降恒定情况下,有 Q100 C100 ?p ? C100 Ri ? ? ? Q0 C0 C0 ?p ? C0 ? C100 f0 ? C100 ( F0 F100 ) 代入上式得 F100 Ri ? ?R F0 C0—阀全关时 的流量系数 R---调节阀的可调范围 由于最小节流面积F0受阀芯结构设计和加工的限制, 不可能做得太小. 国产调节阀R一般为30,各种调节阀全关时f0为1/R,即1/30 51 在串联管系中(S1001),调节阀的实际可调比为 Qr100 C100 Rs ? ? Qr 0 C0 ?p100 ?p0 Qr100,Qr0---有管道阻力时阀全开, 全关流量 调节阀全关时压降Δp0≈ΣΔp,则 Rs ? Ri S100 由此可见: 串联管系中调节阀实际可调比降低.S100越小,串联管道的阻力损失越 大时,实际可调比越小. 52 总结 ①当管道阻力损失为零时S100=1, 系统的总压降全部落在调 节阀上, 则实际工作流量特性与理想特性一致; ②随着管道阻力损失所占比重增加, S100 值将减小, 调节阀 全开时的流量相应比管道阻力损失为零时减少, 因而实际可 调比也减小; 实际可调比 Rs 与S100之间的关系为 Rs ? Ri S100 ③随着S100值减小, 流量特性曲线发生畸变, 直线特性趋向于 快开特性, 对数特性趋向于直线特性。 ④实际使用中, 为了避免调节阀工作特性的畸变, 一般希望 S100值不低于0.3~0.5。 53 (2) 并联管系调节阀的工作流量特性 调节阀和管道并联时 Δp Q Qe 调节阀与管道并联工作 Q? ? Q ? Qe ? C100 f ?p ? ? Ce ?p ? 调节阀全开时,管路总流量最大,有 QΣ Q? max ? Q100 ? Qe ? (C100 ? Ce ) ?p ? 则此时相对流量为 C100 f ? Ce C100 C100 Q? q? ? ? f ? (1 ? ) Q? max C100 ? Ce C100 ? Ce C100 ? Ce 引入阀全开流量比 S100 C100 Q100 ? ? 则有 C100 ? Ce Q? max 54 q ? S100 f ? (1 ? S100 ) 当S100’=1时, q=f, 旁路关闭, 并联管路工作流量特性就是调节阀的理想 流量特性. 随着S100’的减小, 即旁路阀逐渐开大,调节阀流量比重逐渐下 降. 尽管调节阀本身流量特性无变化, 但管道系统的可调比下降, 使管系 中可控的流量减小, 甚至会使调节阀失去控制作用. 并联管系的可调比 Q? max Ri Rp ? ? Q0 ? Qe Ri ? ( Ri ? 1) S100 当S100减小时, Rp急剧减小, 因此打开旁路,调节阀的控制效果很差, 实 际使用时一般要求S1000.8, 使旁路流量只占管道总流量的很小部分, 百分之十几. 55 并联管道的工作流量特性 可以看出: ①当S100=1时, q=f, 旁路关闭, 实际工作特性与理想特性一致; ②旁路阀逐渐开启, 旁路流量增加, 则S100值减小, 可调比下降; ③实际使用时一般要求 S1000.8, 使旁路流量只占管道总流量的很小 部分, 百分之十几. 56 调节阀在串,并联管系中的工作情况 场合 流量特性 可调比 最大流量 减小 静态增益 小开度时增大,大开度时减小 串联管系 畸变严重 降低较小 并联管系 畸变较轻 降低较大 增大 均减小 综合串、并联管道的情况,可得出如下结论: ① 串, 并联管道都使阀的理想流量特性发生畸变, 串联管道的影响更严重; ② 串, 并联管道都会使控制阀的实际可调比降低, 并联管道更严重; ③ 串联管道使系统总流量减少,并联管道使系统总流量增加; ④ 串、并联管道都会使控制阀的放大系数减小, 即输入信号变化所引起的 流量变化值减小; 串联管道时控制阀若处于大开度, 则值降低, 对放大系 数的影响更为严重; 并联管道时控制阀若处于小开度, 则X值降低, 对放 大系数的影响更为严重. 57 §4-4 气动调节阀选型 调节阀是自动控制系统的终端控制元件之一, 在选型中, 应考虑以下几点 (1) 选择调节阀的结构形式和材质 (2) 选择流量特性 (3) 选择阀门口径 一 调节阀结构形式的选择 在选用时要注意: (1) 工艺介质的种类,腐蚀性和粘性(管道耐腐蚀) (2) 流体介质的温度,压力,比重(能经受介质的温度) (3) 流经阀的最大,最小流量.正常流量及正常流量时阀上的压降 一般优先选用直通单,双座调节阀.具体选择情况参见表4.8 58 二 调节阀气开,气关形式的选择 选用原则: 从生产的安全出发. 当仪表供气系统故障或控制信号中断, 调 节阀阀芯应处于使生产装置安全的状态. 确定方法: 假设出现故障, 使气压为0,此时阀应该保证系统的安全. 如: 进入工艺设备的流体易燃易爆, 为防爆炸, 调节阀应选气开式(出故障 时全关). 如果流体易结晶, 调节阀应选气关式,以防堵塞(出故障时全开). 三 调节阀流量特性的选择 国产调节阀流量特性有直线,等百分比和快开三种.主要使用直线和 等百分比两种. 工程设计上主要采用经验准则,从控制系统特性,负荷变化和S值大 小三个方面综合考虑,选择调节阀流量特性 1. 从改善控制系统控制质量考虑 线性控制回路的总增益,在控制系统整个操作范围内应保持不变. 59 控制系统中: 测量变送器的转换系数和调节 器的增益是常数. 被控对象增益随操作条件,负 荷大小而变化 通过选择适当的调节阀特性, 对被控对象非线性特性进行补 偿, 使控制系统总增益恒定或 近似不变. R(s) — Gc(s) Gv(s) G(s) Y(s) Gm(s) 60 2. 从配管状况(S100)考虑 配管状况 S100=1~0.6 直线 直线 不适宜 控制 阀流量特性(理想) 直线 工作流量特性 等百分比 等百分比 等百分比 S100=1~0.6: 调节阀理想流量特性与希望的工作流量特性基本一致 S100=0.6~0.3: 理想流量特性为等百分比?工作流量特性直线 对于被控对象特性不清楚的情况,参考下表原则 特性 S值 (1)液位定值控制系统 ?pn Sn ? ? 0.75 (2)主要扰动为设定值的流量 ??p 温度控制系统 ?p Sn ? n ? 0.75 ??p 直线特性 等百分比特性 (1)流量, 压力, 温度 定值控制系统 (2)主要扰动为设定值 的压力控制系统 各种控制系统 △pn---正常流量时的阀压降 Σ△p---管道系统总压降 Sn---正常阀阻比 62 四 调节阀口径的确定 调节阀口径选定的具体步骤: 1) 确定主要计算数据 Qn---正常流量,额定工况下稳定运行时阀的流量 △pn---正常阀压降, 正常流量时阀两端压降 Sn---正常阀阻比,Sn=△pn/Σ△p Qmax---运行中可能出现的最大稳定流量的1.15~1.5倍,或由最大生 产能力直接确定 n---最大流量与正常流量之比, n=Qmax/Qn 2) 求调节阀应具有的最大流量系数Cmax Cmax ? mCn m为流量系数放大倍数,其值为 m ? n Sn Smax 63 Smax的计算 (Smax为计算最大流量时的阀阻比) 对于调节阀上下游均有恒压点的场合 Smax ? 1 ? n2 (1 ? Sn ) 对于装在风机或离心泵出口的调节阀,其下游有恒压点的场合 Smax ?h ? (1 ? ) ? n 2 (1 ? Sn ) ??p △h为流量由正常流量增大到计算最大流量时风机或泵出口压力的变化值 如果知道Qmax和此时压降△pmax则可以按公式计算Cmax 3) 流量系数的圆整 按选定的调节阀类型,选取不小于Cmax并与之最接近的C100. 64 4) 选定调节阀口径 由C100可以得到与之对应的调节阀口径Dg和dg, 即为最终选定的调节 阀公称通径和阀座直径 5) 调节阀相对开度的验算 调节阀工作时其相对开度应处于下表中的范围之内 阀特性 流量 最大 最小 对于直线特性调节阀 阀相对开度lx100 直线 对于等百分比调节阀 1 C l ? 1? lg lg R C100 当R=30时 C l ? 1 ? 0.68lg C100 Rs ? Ri S100 演算可调比 6) 调节阀可调比验算 串联管系中工作的调节阀可以通过公式 对于调节阀上下游均有恒压点的场合 S100 ? 1 C100 2 1 1? ( ) ( ? 1) Cn Sn 对于阀装于风机或离心泵出口,下游有恒压点的场合 S100 1 ? ?h ??p ? C 1 1 ? ( 100 ) 2 ( ? 1) Cn Sn 最终使得: Qmax/QminRs 66 液体介质调节阀口径计算流程 计算数据的确定 Qn, △pn,Sn,Qmax,ρl,pc, pv,FL,D1,D2,阀型 ?p ? FL2 ( p1 ? FF pv ) 按非阻塞流条件计算C 阻塞流判别 ?p ? FL2 ( p1 ? FF pv ) 按阻塞流条件计算C Cmax值求取 Re3500 低雷诺数修正 低雷诺数修正判别 Re≥3500 初选C100值 D1=D2≠Dg 管件形状修正判别 相对开度,可调 比验算 D1=D2=Dg 调节阀口径选定 67 管件形状修正 最终选定C100 气体介质调节阀口径计算流程 计算数据的确定 xFKxT 按非阻塞流条件 计算C Cmax值求取 初选C100值 管件形状修正 判别 D1=D2=Dg 调节阀口径选定 相对开度,可调比 验算 D1=D2≠Dg 管件形状修正(Fp) 阻塞流判别 x≥FKxT 按阻塞流条件 计算C Qn, △pn,Sn,Qmax,ρH,k, p1,t1,D1,D2,阀型 选定C100值 68 作业: 3.10 3.13 4.5 4.15 69


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