控制阀的性能
流量特性
    所有的调节阀都有一个固有的流量特性，这个特性定义了在一定压力条件下“阀门开度”和流量之间的关系。请注意“阀门开度”在本文中是指阀芯与阀芯关到阀座上位置的相对位置，并不是指阀门的流通面积。阀门的流通面积通常是指“阀门喉口”的面积，在任何时候都是指流体流过阀芯和阀座之间最窄的点。对任何阀门，不管它是哪种特性，流量和流通面积之间的关系总成正比。
    倒可口径、倒可固有流量}}n生的阀门，在相同的体积流量和压差下具有完全相同的流通面积。但是，不同流量
特性的阀门在相同的流通面积下的“阀门开度”是不同。比较线性和等百分比阀门，在一定的压降和流量下，线性阀门的开度可能为25%，但等百分比阀门在完全相同的工况下的开度可能为65%。流通面积是相同的。
    阀芯的物理外形和阀座的布置，有时被称作阀“内件”，会导致这些阀门的开度的不同。图6.5.1所示
的是直行程的球形阀的典型的内部件的形状。

    在本节中，术语“阀行程”用来定义阀门的开度。而不管这个阀是球形阀(阀芯相对于阀座上下运动)还是旋转型阀门(阀芯相对于阀座横向运动)。
    旋转型阀门(例如，球阀和蝶阀)都有一种基本的特性曲线，但是改变球阀或蝶阀的阀芯的具体形状会改变这种特性。典型的球形阀和旋转型阀门的固定流量特性如图6.5.2所示。
    球形阀的阀芯有各种不同的形状，每一种都有其自身的固有流量/开度特性。三种经常使用的主要形式是:
  口快开
  口线性
  口等百分比
    图6.5.1和6.5.2所示的是这些阀门的形状和固有特性曲线。

快开流量特性
快开流量特性的阀芯的特点是:在阀门关闭位置处，阀门开度的微小改变会引起很大的流量改变。例如，50%的阀门开度就达到90%的最大阀门流通面积和流量。
具有这种形式阀芯的阀门通常被认为具有“开/关”流量特性。同线性和等百分比流量特性不同的是，快开曲线的确切形状没有在标准中定义。因此，两个阀门，一个在50%开度时的流量是80%，也是另一个在60%开度时的流量，这两个阀门都可以看成具有快开特性。
    快开阀门用电动或气动驱动，用作“开/关”控制。
    图6.5.1所示的自作用控制阀的阀芯形状同快开阀芯类似。控制系统中液体或气体压力的改变会引起阀芯位置的改变。这种形式的阀芯的运动相对于被控制系统微小改变显得相当小，因此阀门具有很高的固有控制调节比。因此能产生微小的流量改变的阀芯不能认为是快开控制阀。
线性流量特性
    线性特性的阀芯的形状特点:在一定的压差下流量直接同阀门的开度(H)成正比。阀门开度和流通面积之间的线性关系来实现线性阀特性(见图6.5.3 )。

例如，阀门的开度是40%,  40%的流通面积允许40%的流量通过。
等百分比流量特性(对数流量特性)
    这些阀门的阀流通面积(也就是芯形状满足:阀门开度的增加引起的流量增加同前一点的流量的比值一定。阀门开度和流量)不是成线性，而是成指数关系
其数学表达式如等式6.5.1所示。

通过调节阀的体积流量的增加相对于相同量的阀位的增加成等百分比:
    当阀门为50%的开度，流量为1.414m3/h，相对于40%开度时的0.956m3/h的流量增加了48%0
  口当阀的开度为60%的时候，流量为2.091 m3/h，相对于50%开度时的1.414m3/h的流量增加了48%0
    可以看出，(在相同压差下)阀门开度每增加10%时，通过调节阀的流量的增加是48%。对于控制调节比为50的阀门来说，情况都是相同的。有趣的是，如果阀门的控制调节比为100，每10%的开度的增加引起的流量的增加是58%0
    表6.5.1列出了例6.5.1中控制调节比为5。的等百分阀门在相同的压差下，流量是如何随开度而变化的。

    有时候会用到一些其它固定流量特性的阀门特性，如，抛物线形、修正线性或双曲线形，但是最常用的型式是快开、线性和等百分比。
使阀门特性同安装系统特性相匹配
    每个应用都有其独特的安装特性，与流量和热负荷相关。通过阀门的压差来控制加热流体流量，也会有所不同:
  口在水系统中，泵的特性曲线意味着在流量减小的时候，阀门上游的压力增加(参考第6.3节中的例6.5.2)。
  口在蒸汽温度控制系统中，为满足所需要的热负荷，通过控制阀的压降会故意变化。
    某个应用中选择的阀门的特性直接关系到阀门开度和流量之间的关系。
    这部分会考虑到水系统和蒸汽系统中各种不同的阀门特性的选择。总的来说，线性阀门用于水系统，而蒸汽系统使用等百分比阀门会更好。
    1.采用三通阀的水循环系统

    在水系统中，一定流量的水经三通阀混合或分流进入平衡回路，通过阀门的压降尽量保持稳定以维持系统的平衡。
    结论一这些系统中最好的选择通常是使用线性特性的阀门。这样的话，安装特性和固有特性总是相似的是线性的，控制回路的增益有限。
    2.锅炉的水位控制系统一采用二通调节阀的水系统
    在这种系统中(如6.5.6所示的例子中)，使用给水二通控制阀来改变水的流量，通过控制阀的压降会随着流量的变化而变化。这种变化是由于:
  口水泵的特’}生。当流量减小时，水泵和锅炉之间的压差增大(详细内容在6.3节中已经详细介绍过。)
  口管道的摩擦阻力随着流量而变化。由于摩擦造成水头损失同流速的平方成正比(详细内容在6.3节中已经详细介绍过)。
  口锅炉内的压力会随着蒸汽负载、燃烧器控制系统和锅炉的控制模式而改变。

例6.5.2图6.5.6中锅炉给水阀的选型
    在一个简单的例子中(假设锅炉压力一定，管道的摩擦损失一定)，锅炉的额定流量是1 Ot/h的蒸汽。锅炉给水泵的特性如表6.5.2所示，在低于最大给水流量时的不同的流量下给水阀门的压差(4P)不同。
    注:阀门的压差4P是指水泵的出口压力与恒定的锅炉压力10 bar g之差。注意到当给水量增加时水泵的出口压力会下降。也就是说给水阀门之前的水压同样会随着流量的增加而减小，这样会影响通过阀门的压降和流量之间的关系。
    由表6.5.2可以确定，从零负载到全负载的过程中水泵的出口压力减小了大约26%，但是通过给水阀的压降下降了达到了72%。如果在选择阀门时不考虑通过阀门的压降的减小，阀门可能会选小。

可以看出，该阀门是这种安装下的“最佳选型”，当阀门全开时满足最大流量。
    然而，不太可能也不需要选择一个最佳尺寸的阀门。实际上，选择的阀门通常至少要大一号，因此其K:要比安装K}大。通常没有一个阀门的K}s正好等于8.06，标准型号中大一号的阀门是口径为DN25 K}s=1。的阀门。在这个例子中，比较一个具有K}:为10的线性阀门和等百分比阀门的安装曲线就会很有意思。一种具有线性固定流量特性的阀门
    一种具有线性特性的阀门的开度和流通面积之间的关系是线性的。因此，在任何流量下的流通面积和开度都可以简单地以K}和K}:之间的比例来表示.

    当流量增加时，通过阀门的压差减小，因此线性阀门的曲线是圆的。如果在整个流量范围内，泵的压头保持不变，线性阀门的曲线和安装曲线都会是直线。
    观察等百分比阀门的曲线可以看出，尽管在整个行程中没有达到线性，但它在大于50%的流量时接近线性。
    在小流量的时候，等百分比的阀门要比线性阀优越。假设，10%的流量下，即1 m3/h，线性阀门的开度大约为4%，而等百分比阀门的开度大约为20%。尽管两种阀门的流通面积是完全一样的，但是等百分百分比的阀芯意味着它离开阀座的行程更大，这样可以减小在小流量时流量负载快速减小时阀芯和阀座之间的冲击损坏。
    一个选型过大的等百分阀门在整个范围内依然可以提供很好的控制，但是一个选型过大的线性阀门的控制可能不那么有效，开度的微小变化会引起流量的很大的改变。

  结论--一在大多数应用中，等百分比的阀门会提供很好的控制，可以承受选型过大的影响。当负载改变时的增益更加稳定，在整个过程中可以提供一个更加稳定的控制回路。但是，从图6.5.8可以看到，如果线性阀门选型正确，在水系统中可以有很好的性能表现。
3.二通阀在蒸汽温度控制中应用
    在换热器中，使用蒸汽作为一次侧的加热介质，利用一个二通阀来控制蒸汽的流量使其同换热表面蒸汽冷凝速率相匹配，来达到温度控制的目的。蒸汽流量的变化会引起换热器进口蒸汽的压力(温度)的变化，进而改变换热率。
例6.5.3
    在一个特定的汽水换热制程中，假设:
  口水从10℃加热至恒定的600C 0
  口水量的变化范围是0一10 L/s (kg/s)0
  口在全负载时，蒸汽换热盘管中所需的蒸汽为4 bar a0
  口全负载时总换热系数(U)是1500W加20C，二次侧水量每减小10%，总换热系数减小了4%0使用这些数据，利用校正公式，可以确定以下参数:
  口满足最大负荷时的换热面积。在此之前可以知道:
  口在不同热负载下的蒸汽温度。
  口在不同热负载下的蒸汽压力。
  口在不同热负载下的蒸汽流量。
  口换热面积必须满足最大负荷。

    在90%负载处，曲线上有一个突变;原因是调节阀的临界压降发生在这一点。
    可以看到，本例中，在负载大于86%时，换热器内的压力高于2.9 bar a，对于控制阀的上游压力为5bara时的临界压力为2.9 bar a0(有关临界压力的更多的内容，参考6.4节，蒸汽应用中控制阀的选型)。通常是调节阀在10%的开度以下控制比较困难，实际上，控制阀的开度在20%和80%之间的控制
    图6.5.10中的曲线指的是K为10。的线性和等百分比阀门，是比应用曲线(需要的K为69.2)大一口径的具有合适的流通能力的标准阀门，通常选为用于本特列的应用。
调节阀选型过大的影响
    考虑线性或等百分比调节阀选型过大的影响是有必要的。为了适应相同的负载，这些阀门的开度要比
图6.5.10中所看到的要小。
    再大一口径的阀门的K:为160。需要考虑一下如果选用了这些阀门，性能会怎样?

    从图6.5.11中可以看出，与图6.5.10中小一号口径的阀门(正确尺寸)相比较，两种阀门的曲线都往左移动，而安装曲线保持不动。
    线性阀门的变化比较剧烈;可以看到，在30%的负载的时候，阀门的开度只有10%。即使在85%的负载下，阀门的开度仅仅为30%。同时还可以看到开度发生微小变化时，流量的变化大。这样实际说明了阀门在90%的流量范围内的作用是一个快开阀。在这种蒸汽系统中线性的固定流量特性不是一种最好的选择，因为通常最好希望蒸汽流量的变化相对缓慢。
    尽管等百分比的曲线的位置已经移动，它依然在安装曲线的右侧，可以提供很好的控制。曲线的下面部分比较窄，在初始行程阶段提供慢开性能，在本例中对蒸汽的控制要比线性阀好得多。会引起选型过大的情况有:
  口应用数据是估计的，已经包含了额外的“安全系数”在内。
  口选型时包含实际运行“因素”，例如一个过大的结垢系数。
  口计算的K}}仅仅比标准阀门的K:大一点点，只能选择再大一号的阀门。
情况还有:
  口控制阀在全负荷时能达到的压降很低。
    例如，如果蒸汽的供汽压力为4.5 bar a，在换热器全负载时所需的蒸汽压力为4bara，这样在全负载的时候的压降仅仅为11%0
  口最小负荷远远小于最大负荷。
    线性阀门则意味着阀芯和阀座之间的开度比较小，容易造成磨损。
    在这些常见的情况时，等百分比的阀门特性会提供一个相对稳定和实际的解决方法。
    这就是为什么调节阀的供货商会推荐使用等百分比二通阀的原因，尤其是当时用于可压缩的流体如蒸汽时。
    请注意:如果可能的话，最好采用最大负荷下的最大压降选择蒸汽调节阀;即使是使用临界压降，如果条件允许。这样可以帮助减小调节阀的口径和费用，提供更线性的安装曲线，同时也提供了一个选择线性阀门的机会。
    但是，工况往往不允许这样。阀门只能按照应用工况来选型。例如，换热器的工作压力必须为4.5 bar a,最大的进口蒸汽压力只有5 bar a,阀门只能按照10%的压降选型([5-4.5] / 5)。在这种情况下，采用临界压降选择阀门会导致阀门选型过小，使得换热器的进汽不足。
    如果不可能增加蒸汽的供汽压力，一个解决办法是安装在更低的压力下运行的换热器。这样的话，通过调节阀的压降会增大。这样的结果是调节阀的口径小了，但是由于工作压力的降低导致换热器的尺寸增大。
    一个大尺寸的换热器使用低压蒸气下工作的其它优越性在于:
  口减小换热表面的结垢。
  口在冷凝水系统产生的闪蒸蒸汽量减小。
  口冷凝水系统的背压较小。

    必须在调节阀和换热器的费用、调节阀合适的控制性能、如上所述的蒸汽其它系统的影响等因素之间进行平衡。对蒸汽系统来说，等百分比的阀门是一种比线性阀门好的选择，如果发生低压降的话，对它们在阀门整个行程内的性能影响较小。

以上内容由彪维公司（www.bilvie.com）编写，转载请注明文章出处。