調(diào)節(jié)閥流量特性控制分析 |最新資料

1 調(diào)節(jié)閥的流量特性

眾所周知，調(diào)節(jié)閥是自動控制中直接與流體相接觸的執(zhí)行器。對熱工對象來說，其控制流體（往往是水）的流量和壓力，關系著生產(chǎn)過程、空氣調(diào)節(jié)等自動化的技術目標的實現(xiàn)。正確選取調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式、流量特性和產(chǎn)品規(guī)格，對于自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟合理性有十分重要的作用。

常用的調(diào)節(jié)閥有座式和蝶閥兩類。隨著生產(chǎn)技術的發(fā)展，調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式越來越多，調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式的選擇主要是根據(jù)工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量）、介質(zhì)性質(zhì)（粘度、腐蝕性、毒性、雜質(zhì)狀況）以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求（可調(diào)節(jié)比、噪音、泄漏量）綜合考慮來確定。一般情況下，應首選普通單、雙座閥和套筒閥。因為此類調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡單，閥芯形狀易于加工，比較經(jīng)濟；或根據(jù)具體的特殊要求選擇相應結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)閥。結(jié)構(gòu)型式確定以后，調(diào)節(jié)閥的具體規(guī)格關系到閥的流量特性是否與系統(tǒng)特性相匹配，關系到系統(tǒng)是否穩(wěn)定性高、經(jīng)濟性好。調(diào)節(jié)閥的流量特性，是指流體流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與調(diào)節(jié)閥的相對開度之間的關系。易推知，相對流量與相對開度成正相關，即閥門通道越小，相對開度越小，相對流量越小；閥門通道越大，相對開度越大，相對流量越大。閥門通道為零時，這時流量為零，即閥門關閉。由流體力學可知，通過閥門的流量與閥門前后的壓差成正相關的關系，即：

式中：Q指通過閥門的流量；ΔP是指閥門前后形成的壓差；K是指系數(shù)。

壓差往往是由閥門開度（閥芯的位移L）所形成的流體通道決定，開度越小，相對開度越小，閥門前后壓差越大；開度越大，相對開度越大，閥門前后的壓差越小。可以說，通過調(diào)節(jié)閥的流量大小不僅與閥的開度有關，而且和閥前后的壓差有關。工作中的調(diào)節(jié)閥，當閥的開度改變時，不僅流量發(fā)生了變化，閥前后壓差也發(fā)生了變化。為了便于討論，先假定閥前后壓差一定，即先討論理想流量特性，然后再考慮調(diào)節(jié)閥在管路中的實際情況，即討論工作流量特性。

2 理想流量特性

理想流量特性是在閥前后壓差固定的情況下得到的流量特性，它決定于閥芯的形狀，因此也稱之為結(jié)構(gòu)特性。在理想情況下，流量僅隨閥門開度變化而變化，從控制的角度看，觀察調(diào)節(jié)閥的控制指標，研究流量特性，是一種常用的方法。在常用的調(diào)節(jié)閥中，有四種典型的理想流量特性，如圖1^[1]所示。

2.1 直線特性

調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關系，如圖1中（1）曲線所示。曲線斜率不變，即它的放大系數(shù)不變。以相對行程等于10%、50%、80%三點為例，當行程變化10%時，所引起相對流量變化10%，而它的相對變化值（即靈敏度）分別為100%、20%、12.5%。

可以推知，在變化相同行程情況下，閥門相對開度較小時，相對流量變化值大，靈敏度高；相對開度較大時，相對流量變化值小，靈敏度低。這往往使直線特性閥門控制性能變壞：在小開度時，放大系數(shù)相對來說很大，調(diào)節(jié)過程往往產(chǎn)生振蕩；在大開度時，放大系數(shù)相對來說不大，靈敏度低，容易使閥門動作遲緩，調(diào)節(jié)時間延長。

2.2 對數(shù)特性

其單位相對行程的變化引起的相對流量的變化與此點相對流量成正比例，如圖1中（2）曲線所示。以同樣的行程L等于10%、50%、80%三點為例，當行程變化10%時，流量變化值分別為1.9%、7.4%、20.5%，可以說其放大系數(shù)隨閥門的開大而增大。因此，這種閥門在小開度時，放大系數(shù)小，工作得緩和平穩(wěn)；在大開度時，放大系數(shù)大，工作得靈敏有效。同樣，各點靈敏度為40%處處相等（也可稱等百分比特性），便于控制。

2.3 快開特性和拋物線特性

快開特性如圖1中（3）曲線所示，在閥門開度小時，流量變化較大，隨著開度增大，流量很快達到最大值，放大系數(shù)大，靈敏度高。在閥門開度大時，流量變化不大，放大系數(shù)較小，靈敏度也較低。在壓力不太大、調(diào)節(jié)要求不高的場合應用，開則快，關則慢，不易引起管網(wǎng)大的壓力波動。拋物線特性如圖1中（4）曲線所示。這種閥的單位相對行程的變化所引起的相對流量與此點的相對流量值的平方根成正比關系。它介于曲線（1）（2）之間，其特性接近對數(shù)閥特性，但由于其閥芯加工復雜，較少采用。

3 工作流量特性

調(diào)節(jié)閥處于工藝管路系統(tǒng)中工作時，管路系統(tǒng)的阻力變化或旁路閥的開啟程度的閥前后壓差變化，使得在同樣的閥門開度時，不再像理想流量特性那樣流量保持不變，對應的流量將有所變化。我們把調(diào)節(jié)閥前后壓差變化的流量特性稱為工作特性。

3.1 串聯(lián)管路時的工作流量特性

在工程中，調(diào)節(jié)閥是裝在具有阻力的管道系統(tǒng)上，見圖2。當該系統(tǒng)兩端總壓差一定時，調(diào)節(jié)閥上的壓差就會隨著流量的增加而減少^[2]。隨著閥門開大，閥前后壓差減少，因此，在閥相對開度相同的情況下，此時的流量比理想流量特性下要小一些。在閥門開度較大時，調(diào)節(jié)閥前后的壓差減小，流量較大。

圖2中ΔP為管路系統(tǒng)的總壓差，ΔP₁為調(diào)節(jié)閥的壓差，ΔP₂為串聯(lián)管道及設備上的壓差。令S=（ΔP_1m /（ΔP），式中S為閥門的權(quán)度系數(shù)，ΔP_1m為閥全開時的調(diào)節(jié)閥兩端壓差。當閥門不變，而改不同的管道阻力時，其S值是不同的。隨著管道阻力的增大，S值遞減。在不同的S值下，對于理想特性為直線和等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，工作特性如圖3^[3]所示。

由圖3可知，當S=1時，即系統(tǒng)總壓力都作用在調(diào)節(jié)閥上，并保持恒定，則為理想特性。隨著S值減少，調(diào)節(jié)閥全開的流量遞減，但在某一相對開度下的相對流量q卻隨S值的減少而增大（q=Q/Q₁₀₀，Q₁₀₀表示管道有阻力時，調(diào)節(jié)閥全開時的流量）。因此，相對理想流量特性而言，工作特性發(fā)生了畸變，成為一組向上拱起的曲線簇。這樣，在小開度時，放大系數(shù)更大，靈敏度更高；在大開度時，放大系數(shù)更小，靈敏度更低。同時，我們?nèi)舭严鄬﹂_度為零時的流量稱為最小流量，且此最小流量與最大流量Q₁₀₀之比的倒數(shù)稱之為可調(diào)比，則隨著S值的減少，由于串聯(lián)管道阻力的影響，閥的可調(diào)比變小。可以推知，可調(diào)比R與閥門權(quán)度的大關系為：

式中R為理想流量特性時的可調(diào)比，叫做理想可調(diào)比；R_s為工作流量特性時的可調(diào)比，叫做實際可調(diào)比。

可調(diào)比越小，則調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力越低；可調(diào)比越大，則調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力越強。但實際可調(diào)比相對于理想可調(diào)比來說，不能太大，因為要考慮系統(tǒng)的能耗，一般情況下，S采用0.3~0.5之間^[4]，把實際可調(diào)比控制在理想可調(diào)比的0.55~0.70之間。

3.2 并聯(lián)管道時的工作流量特性

圖4為調(diào)節(jié)閥并聯(lián)的情況。調(diào)節(jié)閥兩端壓力雖為恒定，其并聯(lián)的旁路閥的開啟程度也會影響調(diào)節(jié)閥的流量特性。若以Q₁₀₀表示調(diào)節(jié)閥全開時的通過調(diào)節(jié)閥的流量，以Q_max表示總管最大流量，以x來表示旁路的程度，則。在不同的x值下，其工作流量特性如圖5^[5]所示。由圖可知，x等于1時，旁路閥關閉，調(diào)節(jié)閥的工作流量特性即理想流量特性。隨著旁路閥的逐步開啟，旁路閥的流量增加，x值不斷減小，流量特性不改變，但可調(diào)比大大下降。實際可調(diào)比與旁路程度x的關系為：

在實際應用中，總是存在串聯(lián)管道的影響，這樣使調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)流量變得很小，甚至調(diào)節(jié)閥幾乎不起調(diào)節(jié)作用。一般情況下，希望X值最小不低于0.8^[6]，這樣調(diào)節(jié)閥的最大流量為總流量的80%，工作特性曲線較接近理想特性，可調(diào)比R不至于減少太多。對于直線閥來說，在小開度時又降低了靈敏度，可避免振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。對于對數(shù)閥來說，在小開度時放大系數(shù)小一些，整個行程的靈敏度變化趨于恒定，近似呈等百分比特性，仍然可保持較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量。對于快開特性閥和拋物線特性閥，工作特性曲線有相同的變化趨勢，在使用時也需注意。還需指出的是，在并聯(lián)工作時，有（1-x）Q_max的流量不能被調(diào)節(jié)，因為這部分流量經(jīng)旁路閥流出。從控制的角度說，在調(diào)節(jié)閥相對開度較小時，相對流量較小，相對于理想特性來說，調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)遲鈍，調(diào)節(jié)時間延長，調(diào)節(jié)能力下降。

4 調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性分析

調(diào)節(jié)閥在實際應用時是作用于系統(tǒng)上的，僅僅討論調(diào)節(jié)閥本身或者簡單討論閥與系統(tǒng)的關系是不夠的，應該進行整體分析。一般來說，系統(tǒng)整體上可分為調(diào)節(jié)系統(tǒng)和被調(diào)對象兩部分，前者包括測量傳感裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器（執(zhí)行器又包括調(diào)節(jié)機構(gòu)、調(diào)節(jié)閥和加熱器）三部分。以溫度為例，各個組成部分之間的信號聯(lián)系如圖6所示。一般說來，被調(diào)量信號經(jīng)過被調(diào)量→比較器→調(diào)節(jié)器→調(diào)節(jié)機構(gòu)→調(diào)節(jié)閥→加熱（冷卻）設備→被調(diào)對象→被調(diào)量這一循環(huán)反復的過程，才完成控制被調(diào)對象中的被調(diào)量的任務。

從被調(diào)對象的角度看，大多數(shù)熱工對象在階躍信號作用下，響應曲線符合指數(shù)衰減規(guī)律，如圖7^[7]所示。在過渡過程中，被調(diào)對象的被調(diào)量相對其輸入信號來說，放大系數(shù)Kc不是個常數(shù)，往往是由小向大的方向變化。而從調(diào)節(jié)系統(tǒng)看，除加熱器和調(diào)節(jié)閥外，其他組成部分的控制特性均可簡化為一放大系數(shù)不變的比例環(huán)節(jié)^[8]。對于熱水加熱器來說，隨著其相對流量的增加，被加熱流體進、出溫度差減小，相對溫升減小。它的靜特性如圖8^[9]所示，可見其放大系數(shù)是隨著相對流量的遞增而減小，不是一個常數(shù)。

這樣，把調(diào)節(jié)閥除外，對整個系統(tǒng)來說，系統(tǒng)總放大系數(shù)是隨著負荷加大而趨小，而在相對小的一段時間（過渡過程時間）內(nèi)，總放大系數(shù)又是隨著時間遞增的。這對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量有很大影響。

若控制回路的總放大系數(shù)在控制系統(tǒng)的整個范圍內(nèi)保持不變^[10]，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定是大有裨益的。在實際生產(chǎn)過程中，由于被調(diào)對象和加熱器等的非線性特性，控制回路的放大系數(shù)在選擇上就應該考慮這一因素。因此，適當選擇調(diào)節(jié)閥特性，以調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)來補償控制對象的放大系數(shù)的變化，可將系統(tǒng)的總放大系數(shù)整定不變，從而保證控制質(zhì)量在整個操作范圍內(nèi)保持一定。若被調(diào)對象和加熱器的特性為線性特性，調(diào)節(jié)閥可以采用直線工作特性，即可保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)在操作范圍內(nèi)近似呈直線特性，系統(tǒng)總放大系數(shù)也是一個常數(shù)了。對于大多數(shù)的熱工對象和熱水設備，它們的放大系數(shù)是隨著其負荷加大而趨小的，我們就可選擇放大系數(shù)隨負荷加大而趨大的對數(shù)特性的調(diào)節(jié)閥，二者正好相互補償。這樣系統(tǒng)總放大系數(shù)也為常數(shù)，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

調(diào)節(jié)對象和設備的動態(tài)特性的非線性，僅靠不同口徑的直線和等百分比特性較難保證系統(tǒng)的總放大系數(shù)的穩(wěn)定。對于較復雜的情況，可考慮拋物線特性調(diào)節(jié)閥和其他高難度的調(diào)節(jié)閥，也有必要考慮合適的調(diào)節(jié)器的特性，來保證總放大系數(shù)的穩(wěn)定。從控制的角度看，穩(wěn)定性的提高，往往會引起系統(tǒng)快速性的下降，準確性也會下降。我們可以選擇高性能的調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)閥配合起來，縮短過渡過程時間，以提高系統(tǒng)的快速性。同時，盡量使操作范圍內(nèi)的控制靈敏度也保持不變：不太大，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)不會振蕩劇烈動作；不太小，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間縮短。若再加上系統(tǒng)設計方面的準確性，則系統(tǒng)就會達到“靈敏準確，穩(wěn)定快速”的高級控制水平。

5 結(jié)語

調(diào)節(jié)閥在小的相對開度工作時，靈敏度較高，易使系統(tǒng)動作頻繁，影響調(diào)節(jié)質(zhì)量；在大的相對開度工作時，靈敏度低，放大系數(shù)小，系統(tǒng)也不易穩(wěn)定下來。在熱工領域內(nèi)應用時力求：①盡量使系統(tǒng)兩端壓差恒定，使系統(tǒng)趨于理想工作特性，便于控制。②使調(diào)節(jié)閥的權(quán)度系數(shù)大些，增大可調(diào)比，改善調(diào)節(jié)能力。③使調(diào)節(jié)閥的特性與被調(diào)對象和設備的動態(tài)特性相補償，使系統(tǒng)在操作范圍內(nèi)的放大系數(shù)穩(wěn)定。這樣，整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)就可達到一定的高級控制水平。