控制阀的流量特性及介绍说明

可以使用各种类型的流动特性。本教程讨论了水和蒸汽流量应用中使用的三种主要类型：快速打开，线性和等百分比流量；它们如何进行比较，以及如何（以及为什么）将它们与使用它们的应用程序进行匹配。

流动特性

所有控制阀都具有固有的流量特性，该特性定义了恒定压力条件下“阀的开度”与流量之间的关系。请注意，此处的“阀门打开”是指阀塞相对于其紧靠阀座的关闭位置的相对位置。它不涉及节流孔通过区域。孔口通过面积有时被称为“阀喉”，是阀塞和阀座之间的最窄点，流体可随时通过该点。对于任何阀门，无论其特性如何，流量与孔口通过面积之间的关系始终成正比。

承受相同体积流量和压差的任何尺寸或固有流量特性的阀都将具有完全相同的节流孔通过面积。但是，对于相同的通过面积，不同的阀门特性将给出不同的“阀门开口”。比较线性阀和等百分比阀，对于一定的压降和流量，线性阀可能有25％的阀开度，而在完全相同的条件下，等百分比阀可能有65％的阀开度。孔口通过面积将相同。

阀塞和阀座装置的物理形状（有时称为阀门“修边”）会导致这些阀门之间的阀门开度不同。图6.5.1对主轴操作的截止阀的典型阀内件形状进行了比较。 

在该模块中，术语“阀升程”用于定义阀的开度，无论阀是截止阀（旋塞相对于阀座的上下运动）还是旋转阀（旋塞相对于阀座的横向运动）。座位）。

旋转阀（例如，球阀和蝶阀）均具有基本的特性曲线，但是更改球阀或蝶阀塞的细节可能会对此进行修改。典型的截止阀和旋转阀的固有流量特性在图6.5.2中进行了比较。

这些示例及其固有特性的示例如图6.5.1和6.5.2所示。

快速开启特性

快速打开的特性阀芯会在从关闭位置起较小的阀升程中产生较大的流量变化。例如，气门升程为50％可能会导致节流孔通过面积，流量最高可达其最大电势的90％。

使用这种类型的阀芯的阀有时被称为具有“开/关”特性。

与线性和等百分比特性不同，标准中未定义快速打开曲线的确切形状。因此，两个阀，其中一个在50％升程时提供80％的流量，另一个90％升程时提供90％的流量，都可以视为具有快速打开特性。

快开阀往往是电动或气动方式，用于“开/关”控制。

自作用式控制阀的阀塞形状往往类似于图6.5.1中的快开阀塞。阀芯位置响应控制系统中液体或蒸气压力的变化。相对于受控状态的细微变化，这种类型的阀芯的运动可能非常小，因此，该阀具有固有的高可调节性。因此，阀芯能够产生较小的流量变化，因此不应视为快速打开的控制阀。

线性特性

线性阀芯的形状应使流量在恒定压差下与阀升程（H）成正比。线性阀通过在气门升程和节流孔通过面积之间具有线性关系来实现此目的（见图6.5.3）。

例如，在气门升程为40％时，节流孔尺寸为40％可使40％的全流量通过。

等百分比特性（或对数特性）

这些阀具有阀塞形状，因此阀升程的每次增加都会使流量增加前一流量的一定百分比。气门升程与节流孔尺寸（以及因此的流量）之间的关系不是线性的，而是对数的，并且用数学公式6.5.1表示：

示例6.5.1

通过具有相同百分比特性的控制阀的最大流量为10m³/ h。如果阀门的调节比为50：1，并承受恒定的压差，则通过使用公式6.5.1，将有多少量的阀门分别以40％，50％和60％的升程通过？

通过这种类型的控制阀的体积流量的增加，每等量增加阀运动就以相等的百分比增加：

• 阀门开度为50％时，流量为1.414m³/ h，比阀门开度为40％时的0.956m³/ h流量增加48％。
• 当阀门开度为60％时，流量将达到2.091m³/ h，比阀门开度为50％时的流量1.414m³/ h增加48％。

可以看出，在气门升程增加10％的情况下（压差恒定），通过控制阀的流量增加了48％。对于等百分比的阀门，量程比为50的情况总是如此。有兴趣的是，如果阀门的量程比为100，则当阀升程变化10％时，流量的增量增加为58％。

表6.5.1显示了示例6.5.1中的等百分比气门在量程为50且压差恒定的情况下，流量变化如何在气门升程范围内变化。

有时还会使用其他一些固有的阀门特性，例如抛物线形，改进的线性或双曲线形，但制造中最常见的类型是快速打开，线性和等百分比。

使阀门特性与安装特性相匹配

每种应用都有独特的安装特性，可将流体流量与热量需求联系起来。阀上控制加热流体流量的压差也可能会变化：

• 在水系统中，泵的特性曲线意味着，随着流量的减少，上游阀门的压力会增加（请参见示例6.5.2和模块6.3）。
• 在蒸汽温度控制系统中，故意改变控制阀上的压降以满足所需的热负荷。

为某个应用选择的控制阀的特性应导致阀的开度与流量之间的直接关系，且应尽可能多地通过阀的行程。

本节将考虑用于控制水和蒸汽系统的阀门特性的各种选择。通常，线性阀用于水系统，而蒸汽系统在使用相同百分比的阀时往往会更好地运行。

1.带三通阀的水循环加热系统

在恒定流量的水通过三通阀混合或分流到平衡回路的水系统中，阀上的压力损失应尽可能稳定，以保持系统平衡。

结论  
-这些应用中的最佳选择通常是具有线性特性的阀门。因此，安装特性和固有特性总是相似且线性的，并且控制环路中的增益将受到限制。

2.锅炉水位控制系统–带两通阀的水系统双
通阀

在这种类型的系统中（图6.5.6中显示了一个示例），其中两通进水控制阀改变水的流量，控制阀上的压降将随流量而变化。这种变化是由于：

• 泵的特性。随着流量的减少，泵和锅炉之间的压差增加（此现象在模块6.3中进行了详细讨论）。
• 管道的摩擦阻力随流量而变化。失去摩擦头的速度与速度的平方成正比。（此现象在模块6.3中有更详细的讨论）。
• 锅炉内的压力将根据蒸汽负荷，燃烧器控制系统的类型及其控制方式而变化。

例6.5.2在图6.5.6中选择给水阀并确定其尺寸

在一个简化的示例中（假设锅炉中的压力恒定且管道中的摩擦损耗恒定），锅炉每小时额定产生10吨蒸汽。表6.5.2列出了锅炉给水泵的性能特性，以及在最大流量需求为10m³/ h或更低时，各种流量下通过给水阀的总压差（ΔP）。

注意：阀ΔP是泵的排出压力与10 bar g的恒定锅炉压力之间的差。请注意，随着给水流量的增加，泵的排放压力将下降。这意味着给水阀之前的水压也会随着流量的增加而下降，这将影响压降和通过阀的流量之间的关系。

从表6.5.2可以确定，从空载到满载，泵的排放压力下降约26％，但给水阀上的压差下降幅度更大，为72％。如果在选型时不考虑阀两端的下降压差，则阀可能尺寸过小。

如模块6.2和6.3所述，阀容量通常以Kv表示。更具体地，Kvs涉及在完全打开时阀的通过面积，而Kvr涉及应用程序要求的阀的通过面积。 

考虑Kvs为10的全开阀的通过面积是否为100％。如果阀门关闭，则通过面积为全开通过面积的60％，则Kvr也是10 = 6的60％。这与阀门固有的特性无关。在每个开口处流经阀门的流量将取决于当时的压差。 

使用表6.5.2中的数据，可以使用公式6.5.2得出每个增量流量和阀压差所需的阀容量Kvr，该公式可从公式6.3.2中得出。表示安装所需的实际阀门容量，如果将其绘制为所需的流量，则得出的图表可以称为“安装曲线”。

在满负载条件下，来自表6.5.2：

通过阀的所需流量= 10m³/ h 

穿过阀的ΔP= 1.54 bar 

来自公式6.5.2：

穿过阀的ΔP= 1.54 bar 

来自公式6.5.2：bar
 

从表6.5.2中获取阀流量和阀ΔP，可以从公式6.5.2确定每个增量的Kvr；这些都列在表6.5.3中。

绘制安装曲线

对于此示例，8.06的Kvr满足10 m3 / h的最大流量条件。

可以通过将流量与Kvr进行比较来构造安装曲线，但是通常以百分比形式查看安装曲线更为方便。这仅表示Kvr对Kvs的百分比，换句话说，就是实际通过区域相对于完全开放通过区域的百分比。

对于此示例：通过获取任何负载下的Kvr与8.06的Kvs之比来构造安装曲线。Kvs为8.06的阀门将是“尺寸合适的”阀门，并且将描述安装曲线，如表6.5.4所示，图6.5.7所示。对于本示例，该安装曲线可以认为是大小合适的阀门的阀门容量。

可以看出，由于此安装的阀门尺寸“合适”，因此当阀门完全打开时，可以满足最大流量。

然而，选择理想尺寸的阀是不可能的，也是不希望的。实际上，所选阀门通常至少要大一个尺寸，因此其Kvs大于安装Kvr。

由于Kvs为8.06的阀门不市售，因此下一个更大的标准阀门的Kvs为10，具有标称DN25连接。

对于本示例，将Kvs为10的线性和等百分比阀与安装曲线进行比较很有趣。

考虑具有线性固有特性的阀门

具有线性特征的阀意味着阀升程和孔口通过面积之间的关系是线性的。因此，在任何流量条件下的通过面积和气门升程都简单地用表示为气门Kvs的比例的Kvr表示。例如：

从表6.5.4中可以看出，在最大流量10m³/ h时，Kvr为8.06。如果线性阀的Kvs为10，为了使阀满足所需的最大流量，阀将提升：

使用相同的程序，可以确定线性阀在各种流量下所需的节流孔尺寸和阀升程，如表6.5.5所示。

相等百分比的阀需要完全相同的通过面积才能满足相同的最大流量，但其升程将与线性阀的升程不同。

考虑
给定比例特性为50：1  的阀门，固有特性百分比相同 = 50，则可以使用公式6.5.1确定升程（H）：

气门升程百分比由公式6.5.3表示。

由于流经任何阀门的体积流量与节流孔通过面积成正比，因此可以对公式6.5.3进行修改，以在通过面积和Kv方面得出相等的阀门升程百分比。

如公式6.5.4所示。

如已经计算出的，最大流量为10m³/ h时的Kvr为8.06，而DN25阀的Kvs为10。通过使用公式6.5.4，满载时的阀升程要求为：
因此：

使用相同的程序，可以根据公式6.5.4确定各种流量下所需的气门升程，如表6.5.6所示。

比较此应用中的线性阀和等百分比阀

图6.5.8显示了示例6.5.2中线性和相等百分比固有阀特性的最终应用曲线和阀曲线。

请注意，为了达到相同的流量，等百分比阀的升程明显高于线性阀。有趣的是，尽管这些阀门中的每个阀门的Kvs都比“完美尺寸的阀门”（这会产生安装曲线）大，但等百分比的阀门的升程要比安装曲线大得多。相比之下，线性阀的升程始终低于安装曲线。

线性阀曲线的圆角性质是由于流量增加时跨阀的压差下降所致。如果泵压力在整个流量范围内保持恒定，则安装曲线和线性阀的曲线都是直线。

通过观察等百分比阀的曲线，可以看出，尽管在整个行程中未实现线性关系，但它却超过流量的50％。

在低流量时，等百分比阀比线性阀更具优势。考虑一下，当流量为1m³/ h的10％时，线性阀仅提升约4％，而等百分比的阀则提升约20％。尽管两个阀的节流孔通过面积将完全相同，但是等百分比阀芯的形状意味着它在远离阀座的地方运行，从而降低了由于负荷的快速降低而导致阀芯与阀座之间受到冲击损坏的风险。低流量。

尺寸过大的等百分比阀仍将在其整个范围内提供良好的控制，而尺寸过大的线性阀可能会因流量的快速变化而导致升程的微小变化而导致效率降低。

结论-在大多数应用中，等百分比的阀门将提供良好的结果，并且对尺寸过大非常宽容。当负载变化时，它将提供更恒定的增益，从而有助于始终提供更稳定的控制环路。但是，从图6.5.8可以看出，如果线性阀的尺寸合适，则在这种类型的水应用中其性能将非常好。

3.带二通阀的蒸汽应用的温度控制

在使用蒸汽作为主要加热剂的热交换器中，通过改变通过两通控制阀的蒸汽流量以匹配蒸汽在加热面上的冷凝速率来实现温度控制。这种变化的蒸汽流量改变了热交换器中蒸汽的压力（并因此改变了温度），从而改变了热传递速率。

示例6.5.3

建议在特定的蒸汽-水热交换过程中：

• 将水从10°C加热到恒定60°C。
• 水流量在0到10 L / s（kg / s）之间变化。
• 满负荷时，热交换器盘管中的4 bar a处需要蒸汽。
• 满载时的总传热系数（U）为1500 W / m2°C，二次水流量每下降10％，总传热系数就下降4％。

使用此数据，并通过应用正确的方程式，可以确定以下属性：

• 传热面积要满足最大负荷。直到确定这一点，才能找到以下内容：
• 各种热负荷下的蒸汽温度。
• 各种热负荷下的蒸汽压力。

在最大负载下：

• 找到热负荷。

热负载由公式2.6.5确定：

• 找到满足最大负载所需的传热面积。

传热面积（A）可通过公式2.5.3确定：

 在此阶段，ΔTLM是未知的，但可以使用公式2.5.5根据一次蒸汽和二次水的温度来计算。

• 找到对数平均温度差。

ΔTLM可通过公式2.5.5确定：

在水流量降低10％的情况下查找其他热负荷下的条件：

• 找到热负荷。

如果水流量下降10％至9 kg / s，则热负荷将降至：

Q̇= 9 kg / sx（60 – 10°C）x 4.19 kJ / kg°C = 1 885.5 kW 

初始“ U”值的1500 W / m2°C降低了4％，因此蒸汽空间所需的温度可通过公式2.5.3计算得出：

 

• 在降低的负载下找到蒸汽温度。

如果ΔTLM= 100°C，并且已知T1，T2，则可以根据公式2.5.5确定Ts：

• 找到蒸汽流量。

137°C时的饱和蒸汽压力为3.32 bar a（来自Spirax Sarco蒸汽表）。

因此，根据公式2.8.1，在3.32 bar a下，hfg = 2 153.5 kJ / kg：

使用该例程，可以在热交换器的工作范围内确定一组值，如表6.5.7所示。

如果提供给控制阀的蒸汽压力为5.0 bar a，并使用表6.5.7中的蒸汽压力和蒸汽流量信息；Kvr可以从公式6.5.6计算，该公式是从蒸汽流量公式（公式3.21.2）得出的。

使用此例程，可以确定每个流量增量的Kvr，如表6.5.8所示。

还可以通过考虑所有负载下的Kvr相对于“完美尺寸”的69.2 Kvs来定义安装曲线。

69.2的Kvr满足10 kg / s的最大二次流量。

以与示例6.5.2中相同的方式，通过获取任何负载下的Kvr与69.2的Kvs之比来描述安装曲线。

在示例中，这种阀门应“尺寸合适”，并描述安装曲线，如表6.5.8所示，图6.5.9所示。

可以将安装曲线视为阀门的阀门容量，该阀门的大小可以完美匹配应用需求。

可以看出，对于此应用，由于Kvs为69.2的阀门的尺寸“合适”，因此当阀门完全打开时，可以满足最大流量。

但是，如在水阀定径实例6.5.2中一样，不希望选择尺寸理想的阀。在实践中，总是会出现这样的情况：所选阀门的尺寸至少比要求的尺寸大一个，因此其Kvs大于应用的Kvr。

Kvs为69.2的阀门无法从市场上买到，下一个更大的标准阀门的Kvs为100，带有标称DN80连接。

对于本示例，将Kvs为100的线性和等百分比阀与安装曲线进行比较很有趣。

考虑具有线性固有特性的阀门

具有线性特征的阀意味着阀升程和孔口通过面积之间的关系是线性的。因此，在任何流量条件下的通过面积和气门升程都简单地用表示为气门Kvs的比例的Kvr表示。例如。

在最大水流量为10 kg / s时，蒸汽阀Kvr为69.2。所选阀门的Kvs为100，因此升程为：

使用相同的步骤，可以确定一系列流量的线性气门升程，并列在表6.5.9中。

考虑具有相同百分比固有特性的阀门

相等百分比的阀需要完全相同的通过面积才能满足相同的最大流量，但其升程将与线性阀的升程不同。

假定气门关闭比τ= 50，则可以使用公式6.5.4确定升程（H）。

使用相同的步骤，可以从公式6.5.4中为安装的一系列流量确定气门升程百分比。

线性和等百分比阀的相应升程以及安装曲线如表6.5.9所示。

如例6.5.2所示，等百分比阀需要比线性阀高得多的升程才能达到相同的流量。结果如图6.5.10所示。

在大约90％的负载下，图形的形状会突然变化；这是由于此时在控制阀上产生的临界压力下降的影响。

在此示例中，负载超过86％时，可以表明热交换器中的蒸汽压力高于2.9 bar a，其中以5 bar的压力向控制阀供气是临界压力值。（有关临界压力的更多信息，请参阅模块6.4，蒸汽的控制阀尺寸）。

一般认为，控制阀很难控制在其量程的10％以下，而在实践中，它们通常在其量程的20％至80％之间工作。

图6.5.10中的图表涉及Kvs为100的线性和等百分比阀，这是下一个更大的标准阀，其容量高于应用曲线（要求的Kvr为69.2），通常会为此选择标准阀例。

控制阀的作用大于所需的作用

值得考虑的是，如果选择下一个更大比例的线性或等百分比阀，将会产生什么影响。为了适应相同的蒸汽负荷，这些阀门中的每个阀门的升程都应低于图6.5.10中观察到的升程。

下一个更大的标准阀的Kvs为160。值得注意的是，如果选择了这些阀，其性能如何，如表6.5.10和图6.5.11所示。

从图6.5.11中可以看出，与图6.5.10中的较小（适当尺寸）的阀相比，两条阀曲线都向左移动，而安装曲线保持静态。

线性阀的变化非常明显。可以看出，在30％的负载下，阀门仅打开10％。即使在85％的负载下，阀门也只能打开30％。还可以观察到，对于升程的相对较小的变化，流量的变化较大。这有效地意味着该阀可在其最大90％的范围内作为快动阀工作。对于这种类型的蒸汽装置而言，这不是最佳的固有特性类型，因为通常最好是使蒸汽流量的变化相当缓慢地发生。

尽管等百分比阀曲线已移动位置，但仍位于安装曲线的右侧，并且能够提供良好的控制。其曲线的下部相对较浅，在其初始行程中打开速度较慢，并且在这种情况下，与线性阀相比，其控制蒸汽流量更好。

可能导致尺寸过大的情况包括：

• 应用数据为近似值，因此包含了一个附加的“安全系数”。
• 上浆程序包括操作“因素”，例如过分热衷的结垢。
• 计算得出的Kvr仅略高于标准阀的Kvs，必须选择下一个更大的尺寸。

在某些情况下：

• 满载时，控制阀上的可用压降很小。

例如，如果蒸汽供应压力为4.5 bar a，满负荷时换热器中所需的蒸汽压力为4 bar a，则仅在满负荷时压降为11％。

• 最小负载远小于最大负载

线性阀特性将意味着阀芯靠近阀座操作，可能会造成损坏。

在这些常见情况下，等百分比阀特性将提供更加灵活和实用的解决方案。

这就是为什么大多数控制阀制造商会为两通控制阀推荐相同的百分比特性的原因，特别是在蒸汽等可压缩流体上使用时。

请注意：有机会的话，最好在最大负载下选择具有尽可能高的压降的蒸汽阀；在条件允许的情况下，即使在整个控制阀上出现临界压降。这有助于减小控制阀的尺寸和成本，提供更线性的安装曲线，并提供选择线性阀的机会。

但是，条件可能不允许这样做。只能根据应用条件确定阀门的尺寸。例如，如果热交换器的工作压力为4.5 bar a，而最大可用蒸汽压力仅为5 bar a，则只能将阀的压力降定为10％（[5 – 4.5] / 5）。在这种情况下，根据临界压降确定阀的尺寸可能会减小控制阀的尺寸，并使蒸汽的换热器饿死。

如果不可能增加蒸汽供应压力，则解决方案是安装一个在较低工作压力下运行的热交换器。这样，压降将在控制阀上增加。这可能导致阀更小，但热交换器也更大，因为现在热交换器的工作温度较低。

在较低的蒸汽压力下运行的大型热交换器还具有另一组优点：

• 加热表面结垢和结垢的可能性较小。
• 冷凝水系统中产生的闪蒸蒸汽较少。
• 冷凝水系统中的背压较小。

如上所示，必须在控制阀和热交换器的成本，阀正确控制的能力以及对系统其余部分的影响之间取得平衡。在蒸汽系统中，等百分比阀通常比线性阀是更好的选择，因为如果发生低压降，则它们在整个阀运动范围内对性能的影响较小。