1、調節閥的工作原理及計算選型摘要：人們常把測量儀表稱之為生產過程自動化的“眼睛”；把控制器稱之為“大腦”；把執行器稱之為“手腳”。自動控制系統一切先進的控制理論、巧秒的控制思想、復雜的控制策略都是通過執行器對被控對象進行作用的。調節閥是生產過程自動化控制系統中最常見的一種執行器，是化工生產過程中的重要環節，調節閥的計算選型是否合理是影響閥門壽命的重要因素，本文將從工作原理和計算選型加以介紹。關鍵詞：調節閥 原理 計算 材料 選型正確選取符合某一具體的控制系統要求的調節閥，必須掌握流體力學的基本理論。充分了解各種類型閥的結構型式及其特性，深入了解控制對象和控制系統組成的特征。選取調節閥的重點是閥徑

2、選擇，而閥徑選擇在于流通能力的計算。流通能力計算公式已經比較成熟，而且可借助于計算機，然而各種參數的選取很有學問，最后的拍板定案更需要深思熟慮。 一、調節閥工作原理 （一）伯努利方程由水力學觀點來看，調節閥是一個具有局部阻力的節流元件。當流體流經調節閥時，由于閥芯、閥座處的流通面積縮小，形成局部阻力，并產生能量損失，通常用閥前后的壓差來表示能量損失的大小。根據伯努利方程式，對不可壓縮的流體：HK 也可表示為H，式中：H：為單位重量的流體流經調節閥時的能量損失K：為阻力系數V：流體平均流速，（V）Q：流體體積流量：M3/小時S：調節閥流通面積：厘米2g：重力加速度，981厘米秒2r：流體重度：克

3、厘米3P1、P2：調節閥前、后絕對壓力，kgf/cm2代入上述公式得出：Q 代入具體數值后得出：Q5.04 米3時 （1-1）令5.04=C,則Q=C米3時,C稱為調節閥流通系數或流通能力 C值表示調節閥全開時，其兩端壓力降P1kgf/cm2，流體重度為1克/cm2時，每小時通過閥門的立方米數。 （二）調節閥的重要地位 調節系統方框圖如下所示： 圖1：調節系統方框圖 二、調節閥的流量特性調節閥是通過行程的變化，改變閥芯與閥座間的節流面積，來達到控制流量的目的。因此閥芯與閥座的節流面積跟著行程怎樣變化，對調節閥的工作特性能有很大影響。所謂閥門的相對開度是指調節閥某一開度行程與全開行程之比（角行程

4、與直行程道理相同），用l=L/Lmax來表示。所謂閥門的相對節流面積是指調節閥某一開度下的節流面積與全開時的節流面積之比，用q=Q/Qmax來表示。調節閥流量特性的數學表達式為： q=f（l） (2-1)由公式（1-1）流過調節閥的介質流量不僅與閥門的開度有關，還與閥門兩端的壓差有關，故流量特性有理想特性和工作特性之分。（一）理想流量特性在閥門兩端壓差固定的情況下，流量特性完全取決于閥芯的形狀，不同的閥芯曲面可以得到不同的流量特性。這是調節閥固有的流量特性，稱為理想流量特性。（二）調節閥的可調比調節閥的可調比R（可調范圍）是指調節閥所能控制的最大流量和最小流量之比，即R=Qmax/Qmin （

5、2-2）式中，Qmin指的是調節閥可調流量的下限值，一般為最大流量的2%-4%。當調節閥的前后壓差不變時得到的是理想可調比，一般為R=30，在實際應用中，管道的阻力隨流量增加而增加，使調節閥的最大流量減小，從而降低了實際的可調比。（三）通常流量特性介紹 調節閥的流量特性一般有線性特性，等百分比特性和快開特性，調節閥通常使用等百分比和線性特性。先看看下面這張流量特性圖： 圖2：調節閥流量特性（R-可調比） 1、線性流量特性Q/Qmax=1/R+（1-1/R）l/L (2-3)式中，R為調節閥的可調比。采用具有線性流量特性的閥芯時，調節閥的放大倍數是常數，在小開度處有較大的流量相對變化值，調節作用

6、強，但容易產生振蕩；在大開度處有較小的流量相對變化值，調節作用弱，調節緩慢。這個特點，往住使直線結構特性閥門在小開度情況下的靈敏度過高而導致控制性能變壞。 2、等百分比流量特性（對數流量特性）Q/Qmax= （2-4）采用具有等百分比流量特性的閥芯時，調節閥的放大倍數隨流量增大而增大，但流量的相對變化值是相等的，在小開度處放大倍數小，調節作用緩和，平穩；在大開度處放大倍數大，調節作用靈敏，有效。 三、調節閥的流通能力及Kv值計算選型 調節閥的流通能力是指在規定條件下通過一個調節閥的流量。（一）Cv值和Kv值得定義和區別具體衡量調節閥流通能力的指標是流量系數,目前常用的流量系數有兩類一是以美國為

7、代表的以英制單位定義的流量系數Cv,二是以德國為代表的以公制單位定義的流量系數Kv。兩者的換算關系為Cv1.167Kv。流量系數Cv值定義：一個與調節閥的幾何結構有關的、對于一個給定行程的常數，可用來衡量流通能力。它是在每平方英寸1磅(psi)的壓力降下，每分鐘流過調節閥的 60 水的美國加侖數。 流量系數Kv值定義：一個與調節閥的幾何結構有關的、對于一個給定行程的常數，可用來衡量流通能力。它是在1bar壓力降下，每小時流過調節閥的 5-40 度水的立方米數。（2） Kv值的計算1、氣體（要考慮壓縮系數）Kv值計算當P20.5P1時 Kv 式中：Q：NM3/hrH：標準狀態下氣體重度kg/NM

8、3：氣體膨脹系數t：介質溫度如， 1如， 1-0.46 當P20.5P1時，Kv 2、水蒸汽或其他蒸汽Kv值計算當P20.5P1時 Kv當P20.5P1時 Kv式中：W：重量流量 公斤時r1：介質在操作狀態下的重度 公斤米3 ：介質膨脹系數，算法同上。 (三)調節閥的Kv值范圍 等百分比閥門 閥門的額定Kv值通常是正常流量Kv值的2倍，或者最大流量Kv值的1.3倍，或者說，正常流量Kv值是閥門額定Kv值的3070。 線性閥門閥門的額定Kv值是正常流量Kv值的1.5倍，或者最大流量Kv值的1.1倍，或者說，正常流量Kv值是閥門額定Kv值的6080。(四)調節閥的Kv值范圍在最大流量Kv值下，線性

9、調節閥的行程應90%，等百分比閥的行程應92%，在最小流量Kv值下，調節閥的行程應10%。蝶閥的最大開度應60。任何調節閥的全行程時間均應30秒。(五)調節閥的閥體尺寸根據計算出的Kv值，查表，以確定調節閥的閥體尺寸。調節閥的閥體尺寸可比工藝管道直徑小1級，最多可以小2級。但是閥體尺寸不應小于其上游管道直徑尺寸的一半。 四、調節閥的執行機構選型 調節閥的執行機構，通常首選氣動薄膜式執行機構（其彈簧為反作用），對于活塞式執行機構（即氣缸式），首選多彈簧雙作用型執行機構。對于帶電磁閥的調節閥，要求選用帶彈簧的執行機構。執行機構的彈簧材質至少應為碳鋼，并在出廠時進行了防腐涂層處理。當供氣壓力為4.1

10、5kgf/cm2(60Psig)時，對于薄膜執行機構的膜片盒應采用鋼材質，并且其壓力等級至少為1.0MPag。 五、調節閥的結構型式及其選擇 現將各種型式常用調節閥的特點及適用場合介紹如： 單座調節閥（VP，JP）：泄漏量小（額定Kv值的0.01%）允許壓差小，JP型閥并且有體積小、重量輕等特點，適用于一般流體，壓差小、要求泄漏量小的場合。 雙座調節閥（VN）：不平衡力小，允許壓差大，流量系數大，泄漏量大（額定K值的0.1%），適用于要求流通能力大、壓差大，對泄漏量要求不嚴格的場合。 套簡閥（VM.JM）：穩定性好、允許壓差大，容易更換、維修閥內部件，通用性強，更換套筒閥即可改變流通能力和流量

11、特性，適用于壓差大要求工作平穩、噪音低的場合。 角形閥（VS）：流路簡單，便于自潔和清洗，受高速流體沖蝕較小，適用于高粘度，含顆粒等物質及閃蒸、汽蝕的介質；特別適用于直角連接的場合。 偏心旋轉閥（VZ）：體積小，密封性好，泄漏量小，流通能力大，可調比寬R=100，允許壓差大，適用于要求調節范圍寬，流通能力大，穩定性好的場合。 V型球閥（VV）：流通能力大、可調比寬R=200300，流量特性近似等百分比，v型口與閥座有剪切作用，適應用于紙漿、污水和含纖維、顆粒物的介質的控制。 O型球閥（VO）：結構緊湊，重量輕，流通能力大，密封性好，泄漏量近似零，調節范圍寬R=100200，流量特性為快開，適用

12、于紙漿、污水和高粘度、含纖維、顆粒物的介質，要求嚴密切斷的場合。 隔膜調節閥（VT）：流路簡單，阻力小，采用耐腐蝕襯里和隔膜有很好的防腐性能，流量特性近似為快開，適用于常溫、低壓、高粘度、帶懸浮顆粒的介質。 蝶閥（VW）：結構簡單，體積小、重量輕，易于制成大口徑，流路暢通，有自潔作用，流量特性近似等百分比，適用于大口徑、大流量含懸浮顆粒的流體控制。 蝶閥通常用較大口徑，最小為4”，最大使用壓力Cl600。 六、調節閥的噪音（應符合IEC605348標準） （一）調節閥噪音的來源 調節閥的噪音主要來源于閥內件機械噪音和流體噪音。（二）允許范圍 應85dB（在距閥1米處），有些場合要求75db，任

13、何場合都不允許105db。 七、調節閥的密封填料函（參見API608規范）40以下，采用聚四氟乙烯合成體或石墨纖維。40230之間，采用聚四氟乙烯和石墨。230以上采用石墨填料。對于高壓氣體介質，可以采用雙填料。一般不用石棉或封裝石棉作填料。石墨填料，不應含有氯離子。要求石墨填料中的可濾出氯離子100ppm。 八、調節閥閥體及閥芯材質的選擇閥體、閥蓋材質的選擇是以流動介質的溫度、壓力、腐蝕性和沖刷性為依據的，宜選擇與連接管道上的閥門材質相同，至少為碳鋼，一般口徑小于等于DN40的閥門采用鍛鋼。采用ASTM標準的調節閥其材料選擇應在ASME B16.34所列范圍之內，閥常用的閥體材質及溫度限制如

14、下，（根據ASME B16.34溫度壓力等級規定）。鍛鋼鑄鋼下限,上限,碳鋼ASTM A105碳鋼ASTM A216 Grade WCB-30425碳鋼ASTM 352 Grade LCB-45340不銹鋼Type 304ASTM A182 Grade F304ASTM A351 Grade CF8-200810Type 316ASTM A182 Grade F316ASTM A351 Grade CF8M-200810Type 347ASTM A182 Grade F347ASTM A351 Grade CF8C-200810Type 321ASTM A182 Grade F321（321

15、鑄鋼）-200810合金鋼1Cr-MoASTM A182 Grade F1ASTM A217 Grade WC1-304501Cr-MoASTM A182 Grade F11ASTM A217 Grade WC6-305902Cr-1MoASTM A182 Grade F22ASTM A217 Grade WC9-305905Cr-MoASTM A182 Grade F5ASTM A217 Grade C5-306489Cr-1MoASTM A182 Grade F9ASTM A217 Grade C12-306483NiASTM A350 Grade LF3ASTM A352 Grade L

16、C3-100310表1：常用的閥體材質及溫度限制由上表可知，常用材料的溫度范圍為：ASTM A216/WCB（碳鋼）：-30425ASTM A217WC9（CrMo合金鋼），-30590ASTM A351 CF8（304不銹鋼），-200810ASTM A351 CF8M（316不銹鋼），-200810ASTM A182 F321（鍛鋼不銹鋼），-200810。對于有腐蝕性的介質，或者有閥蒸、氣蝕的場合、或者對于高差壓調節閥 (P35kgf/cm2或500Psig)時，均應采用經過硬化處理的閥芯（如316+Stellite，或316+鎢鉻鈷合金）。 九、關于閃蒸、空化及氣蝕在調節閥內流動的液體

17、，常常出現閃蒸和空化兩種現象。它們的發生不但影響口徑的選擇和計算，而且將導致嚴重的噪聲、振動、材質的破壞等，直接影響調節閥的使用壽命。因此在閥門的計算和選擇過程中是不可忽視的問題。 （一）閃蒸當液體流經調節閥節流孔時，流速突然增加，而靜壓力驟然下降，當節流孔后壓力降到等于或小于該液體在入口溫度下的飽和蒸汽壓（Pv）時，部分液體就汽化成為氣體，（即產生許多小氣泡，）形成汽液兩相混合流共存的現象，這種現象稱為閃蒸。 （二）空化如上所述，產生閃蒸時，對閥芯、閥座材質已開始有侵蝕破壞作用。如果產生閃蒸之后，閥后壓力（P2）不是保持在飽和蒸汽壓Pv以下，而是在離開節流孔之后又急劇上升，致使氣泡產生破裂并

18、轉化為液態，這個過程即為空化作用。可見，空化作用是一種兩個階段現象，第一階段是液體內部形成氣泡，即閃蒸現象；第二階段是這些氣泡的破裂，即空化階段。 （三）氣蝕閃蒸和空化只產生在液體介質。空化作用的第一階段是閃蒸，閥門的出口壓力保持在液體的飽和蒸氣壓之下，但對閥門內件已經產生了侵蝕作用，由于在閥芯和閥座環的接觸線附近流體的速度最高，因此破壞也發生在這里。閃蒸破壞后的閥芯外表面有一道道磨痕。在空化的第二階段，閥后壓力升高到飽和蒸氣壓以上，由于氣泡的突然破裂，所有的能量集中在破裂點，產生極大的沖擊力，可高達幾千牛頓，因此嚴重的沖撞和破壞閥芯、閥座和閥體，這種破壞作用稱為氣蝕。這種作用如同砂子噴在閥芯表面，把固體表層撕裂，形成一個粗糙的、渣孔般的外表面。氣蝕產生的破壞作用是十分嚴重的，在高壓差惡劣條件的空化情況下，極硬的閥芯和閥座也只能使用很短的時間。在這種情況下，選擇閥門應該有適當的方法和措施。 十、