苗同立，王超

(無錫市亞迪流體控制技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214161)

流量特性是控制閥非常重要的性能指標(biāo)，每臺(tái)控制閥的流量曲線選擇不合適，輕則增加成本，影響閥門的實(shí)際開度，重則導(dǎo)致閥門出現(xiàn)喘振，使壽命降低等。大部分生產(chǎn)廠家提供的控制閥標(biāo)準(zhǔn)流量曲線基本上都存在缺陷，導(dǎo)致某些工況下，控制閥無法滿足介質(zhì)的實(shí)際調(diào)節(jié)要求。

更改流量曲線的方式很多，筆者在控制閥流量特性改進(jìn)應(yīng)用中，根據(jù)介質(zhì)的實(shí)際需求，選擇不同的流量特性曲線與之相匹配，使控制閥起到了穩(wěn)定調(diào)節(jié)，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的目的。

1 標(biāo)準(zhǔn)流量曲線介紹及分析

根據(jù)GB/T 17213.10—2005《工業(yè)過程控制閥第2—4部分： 流通能力固有流量特性和可調(diào)比》的規(guī)定，一般控制閥采用的標(biāo)準(zhǔn)流量曲線為線性和等百分比2種，因此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量曲線公式，控制閥相對(duì)流量與相對(duì)行程之間的關(guān)系可用線性流量曲線(式(1))和等百分比流量曲線(式(2))表達(dá)。

(1)

φ=R(h-1)

(2)

式中：φ—相對(duì)流量系數(shù)；R—固有可調(diào)比，指最大流量系數(shù)與最小流量系數(shù)之比；h—相對(duì)行程。

1.1 固有可調(diào)比

R是控制閥曲線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，以球形閥單座閥為例，一般R最大可以設(shè)計(jì)到50。由式(1)和式(2)可以看出，R為閥門全開時(shí)的相對(duì)流量系數(shù)φ1與閥門關(guān)閉時(shí)的相對(duì)流量系數(shù)φ0的比值，當(dāng)h=0時(shí)，φ0=1/R；當(dāng)h=100%時(shí)，φ1=1；則R=φ1/φ0。

1.2 實(shí)際閥門可調(diào)比

根據(jù)1.1節(jié)的介紹，可以得知R僅是理論上的最大可調(diào)比，且流量曲線是在壓差恒定狀態(tài)下設(shè)計(jì)的，因此與應(yīng)用工況下的實(shí)際閥門可調(diào)比Ra有所不同。由于控制閥存在調(diào)節(jié)死區(qū)，考慮到相對(duì)行程不合適，則會(huì)導(dǎo)致控制閥壽命變短，因此在SH/T 3005—2016 《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》10.1.4.3中指出，對(duì)于直行程閥而言，線性流量曲線的h推薦值為15%～80%、等百分比流量曲線的h推薦值為30%～90%，且h最小值不得低于10%。因此，正是由于h值的范圍限制，使得閥門的Ra遠(yuǎn)小于R。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)流量曲線分析

根據(jù)式(1)和式(2)，φ與h之間的關(guān)系如圖1所示；針對(duì)不同的流量曲線，φ與h的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1所列；標(biāo)準(zhǔn)等百分比和線性流量曲線的特性見表2所列；標(biāo)準(zhǔn)等百分比和線性流量曲線的優(yōu)缺點(diǎn)見表3所列。

圖1 不同流量曲線中φ與h之間的關(guān)系示意

表1 不同流量曲線中φ與h的對(duì)應(yīng)關(guān)系(R=50) %

表2 標(biāo)準(zhǔn)等百分比和線性流量曲線的特性

表3 標(biāo)準(zhǔn)等百分比和線性流量曲線的優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)以上分析可以看出,標(biāo)準(zhǔn)等百分比和線性流量曲線的特性是不一樣的：

1)在調(diào)節(jié)性能方面，2種曲線各有利弊。

2)在可調(diào)比方面，2種曲線的可調(diào)比與流量有關(guān)：

a)小流量情況下，等百分比曲線可大幅提高小流量下的實(shí)際開度，增加小流量下閥門的動(dòng)作穩(wěn)定性；而線性曲線可調(diào)比小，且小流量下的開度較小，不適合寬范圍的調(diào)節(jié)以及小流量的調(diào)節(jié)。

b)大流量情況下，等百分比曲線調(diào)節(jié)性能較差，因?yàn)榍€的斜率是逐步增大的，因此單位行程變化引起的流量變化太大，不容易實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)；而線性曲線在大流量時(shí)的調(diào)節(jié)性能卻很好，基本上和開度成正比關(guān)系。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，在最大開度限制的情況下，同樣的工況條件，等百分比曲線需要更大的額定流量系數(shù)值；而線性曲線，則需要的額定流量系數(shù)值較小。因此，設(shè)計(jì)等百分比曲線往往需要更大的行程或更大的閥芯尺寸，閥芯尺寸增大或行程增大，則會(huì)增加閥體成本或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的成本。

2 改進(jìn)后流量曲線特征及說明

綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)流量曲線雖然可以直接用于設(shè)計(jì)閥芯曲線和窗口尺寸，但是由于各種曲線均存在自身的優(yōu)缺點(diǎn)，因此除了這兩種最常用的曲線之外，最好能設(shè)計(jì)出一種結(jié)合兩種曲線優(yōu)點(diǎn)的特殊曲線，以滿足盡可能大的寬范圍調(diào)節(jié)，且同時(shí)可以降低設(shè)計(jì)制造成本，改良流量曲線φ與h之間的關(guān)系如圖2所示，改進(jìn)后的流量曲線公式如式(3)和式(4)所示，改良曲線1和改良曲線2中φ與h的關(guān)系見表4所列，各種曲線的特性對(duì)比見表5所列。

圖2 改良流量曲線中φ與h之間的關(guān)系示意

(3)

(4)

表4 改良曲線1和改良曲線2中φ與h的關(guān)系(R=50) %

表5 各種曲線特性對(duì)比

從以上可以看出，改良曲線既利用了等百分比曲線在小開度下調(diào)節(jié)性能好的特點(diǎn)，又利用了線性曲線大開度下調(diào)節(jié)性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此改良曲線使得整體調(diào)節(jié)性能均得到了提高，可調(diào)比較大，滿足了大部分工況下的調(diào)節(jié)要求；同時(shí)，由于需要的額定流量系數(shù)值接近線性曲線，同樣介質(zhì)參數(shù)下，所需要的額定流量系數(shù)值較小，因此降低了閥芯尺寸及控制閥所需推力，從而在整體上降低了控制閥的成本。

3 大可調(diào)比流量曲線的設(shè)計(jì)特征

從以上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線以及改良曲線的分析可以看出，改良后的流量曲線提高了控制閥的流通能力和可調(diào)比，擴(kuò)大了普通控制閥的使用范圍，滿足了大部分的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，提高了小流量的開度和大流量下的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，并且減少了對(duì)控制閥額定流量系數(shù)值的要求，大幅提高了控制閥的使用性能，降低了控制閥成本且延長了控制閥的使用壽命和動(dòng)作可靠性。

但是，從表5也可以看出，如果控制閥的h在10%～90%，最大實(shí)際可調(diào)比僅能達(dá)到28.6。如果Ra大于該值時(shí)，控制閥將很難實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，此時(shí)若降低開度限制要求，如最小相對(duì)行程達(dá)5%，最大相對(duì)行程達(dá)95%，但在該開度范圍內(nèi)長期工作，對(duì)于控制閥是非常危險(xiǎn)的，而且容易產(chǎn)生介質(zhì)的亂流振動(dòng)和沖刷嚴(yán)重問題。如果一味提高控制閥的實(shí)際行程，以提高小開度下的行程，則也會(huì)大幅增加控制閥的成本。因此研究Ra>30以上的控制閥至關(guān)重要。

對(duì)于Ra很大的場(chǎng)合，一般被稱為大可調(diào)比調(diào)節(jié)場(chǎng)合，很多設(shè)計(jì)院和閥門廠家都會(huì)選擇2臺(tái)控制閥進(jìn)行分程控制，小流量時(shí)采用小控制閥，大流量采用大控制閥，該方案一方面會(huì)帶來投資成本的增加，另一方面2臺(tái)控制閥共同調(diào)節(jié)時(shí)，大小控制閥的切換也是很大的問題。由于生產(chǎn)廠家很難做到大小控制閥流量曲線的無縫對(duì)接，實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)小閥芯全開時(shí)，大閥芯開啟瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的流量的問題，因此很難精確調(diào)節(jié)拐點(diǎn)處的流量。

因此，無錫市亞迪流體控制技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)了1臺(tái)內(nèi)部具有1個(gè)小閥芯和1個(gè)大閥芯的控制閥，雖然雙閥芯結(jié)構(gòu)與分程控制的原理相同，但是由于在1臺(tái)控制閥內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，大、小閥芯的流量匹配性高，流量可以做到無縫對(duì)接，大幅提高了Ra的范圍，最大可以達(dá)到150，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)調(diào)節(jié)。

大可調(diào)比的流量精確調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)曲線如圖3所示，φ90%/φ10%下的可調(diào)比達(dá)到250，φ80%/φ20%下的可調(diào)比可達(dá)70。

圖3 大可調(diào)比結(jié)構(gòu)的φ與h之間的關(guān)系示意

4 結(jié)束語

通過分析各種標(biāo)準(zhǔn)流量曲線以及改進(jìn)后的流量曲線，尤其是改進(jìn)后的流量曲線可以大幅擴(kuò)大控制閥的使用范圍，實(shí)際選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況條件選擇不同的流量曲線，比如鍋爐啟動(dòng)汽包液位控制閥，小流量時(shí)壓差很高，大流量時(shí)壓差又很小，因此要求閥門設(shè)計(jì)時(shí)需要很大的可調(diào)比，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的流量曲線就無法滿足實(shí)際要求，應(yīng)選擇改良曲線或大可調(diào)比結(jié)構(gòu)的曲線。如果實(shí)際工況中流量調(diào)節(jié)變化不大，且壓差恒定，此時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)曲線就可以滿足要求。

該公司研制的改良流量曲線以及大可調(diào)比結(jié)構(gòu)曲線，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到實(shí)際使用中，取得了很好的使用效果，大幅降低了用戶的投資成本，同時(shí)也獲得了國家發(fā)明專利，并獲得國家創(chuàng)新基金的支持。