2控制阀流量特性解析剖析

控制阀流量特性解析控制阀的流量特性是控制阀重要技术指标之一，流量 特性的偏差大小直接影响自动控制系统的稳定性。使用单 位希望所选用的控制阀具有标准的固有流量特性，而控制 阀生产企业要想制造出完全符合标准的固有流量特性控制 阀是非常困难的， 因直线流量特性相对简单， 且应用较少， 所以本文重点对等百分比流量特性进行讨论。控制阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相 对行程之间的关系，数学表达式为 Q/Qmax = f(l/L),式中:Q/Qmax 相对流量。指控制阀在某一开度时的流量 Q 与全开流量 Qmax 之比；I/L相对行程。指控制阀在某一开度时的阀芯行程 l 与全开行程 L 之比一般来讲，改变控制阀的流通面积便可以控制流量。但实际上由于多种因素的影响，在节流面积发生变化的同23时，还会产生阀前、阀后压力的变化，而压差的变化又将 引起流量的变化，为了便于分析，先假定阀前、阀后压差 不变，此时的流量特性称为理想流量特性。理想流量特性主要有等百分比 （也称对数）、直线两种 常用特性，理想等百分比流量特性定义为：相对行程的等 值增量产生相对流量系数的等百分比增加的流量特性，数 学表达式为 Q/Qmax = R （l/L-1） 。理想直线流量特性定义为：相对行程的等值增量产生 相对流量系数的等值增量的流量特性，数学表达式为 Q/Qmax=1/R1+ （R-1 ）l/L式中R固有可调比，定义为在规定偏差内的最大流量系数与最小流量系数之比。常见的控制阀固有可调比有 30、50 两种。当可调比 R=30 和 R=50 时，直线、等百分比的流量特性在相对行程10%100%时各流量值见表表可调比相对行程%R10203040506070809010030等百分比4.686.589.251318.325.73650.671.2100502.964.376.479.5614.120.930.945.767.610030直线1322.732.44251.761.37180.690.31005011.821.631.441.25160.870.680.490.2100由上表可以看出，直线流量特性在小开度时，流量相对变 化大，调节作用强，容易产生超调，可引起震荡，在大开 度时调节作用弱，及时性差。而等百分比流量特性小开度 时流量小，流量变化也小，在大开度时流量大，流量变化 也大，调节作用灵敏有效。由于上述原因，在实际工况中 多数场合优选等百分比流量特性。GB/T4213-2008气动调节阀标准5.11.2条规定,等百分比流量特性的斜率偏差：在相对行程h=0.10.9之间，任意相邻流量系数测量值的十进对数（lg ）差值应符合表二规定。表二可调比RIgKv n TgKv n-1h=0.2 0.8h0.8斜率偏差土 30%斜率偏差+80%-30%斜率偏差30%-80%300.19 0.100.26 0.100.19 0.03500.22 0.120.30 0.120.22 0.03由表二可以看出当相对行程 h0.8不在遵守斜率偏差必须在土 30%范围内，而是扩大到了当相对行程 h0.8时，斜率偏 差可达叢，这样在不影响自动控制系统调节功能的前提下， 为控制阀生产制造单位的设计制造提供了方便。天津精通控制仪表技术有限公司的前身是天津市自动化仪表四厂，在1985年将原JB17901795-76气动薄膜调节阀标准中的流量特性偏差“单、双座阀实际流量特性与理论流量特性之间偏差应不超过土 10%，（按1976年气动薄膜调节阀标准执行时会出现当相对行程增加10%时，相对流量不增加也定为合格产品的现象）改为流 量特性严格按照斜率偏差土 30%的要求执行，历时两年多的 阀芯修正也只能保证理想直线特性各点合格率为98%,理想等百分比特性各点合格率在 90%左右。GB/T4213-2008气动调节阀引用了 GB/T 17213工业过程控制阀部 分内容，GB/T 17213工业过程控制阀又全部引用了 IEC60534工业过程控制阀的内容，也就是说我们控制阀行业执行的GB/T4213-2008气动调节阀就是在执行IEC60534工业过程控制阀的部分内容控制阀生产企业凡真正具有流量试验室并进行流量试 验的单位都知道，理想等百分比流量控制阀达到斜率偏差土 30%是非常困难的，特别是当相对行程h0.8时, 几乎是不可能的，所以IEC60534工业过程控制阀对 相对行程h0.8进行了放宽偏差处理， 当相对行程h0.8时允许相对流量适当减小。为了检测方便，GB/T4213-2008气动调节阀标准 中将原斜率偏差换算成了对数数值IgKvn - IgKvn-1，具体 数字转换见表三：表二相对行程%102030405060708090100流量系数Kv2.964.376.469.5614.1220.930.945.767.6100igKv0.470.640.810.981.15 1.321.491.661.832标准igKv n-IgKv n-10.170.170.170.170.17 0).170.170.170.17斜率偏差+80%-30%30%+30%-80%实际IgKvn-IgKvn-10.30 0.120.22 0.120.22 0.03美国艾默生过程管理公司的Fisher公司就充分利用了IEC60534工业过程控制阀标准中关于固有流量特性的 基本要求，也可以说IEC60534工业过程控制阀标准 是以Fisher公司产品为基型编制而成的。下面我们以 Fisher公司生产的DN100 ET型笼式阀为例，看一下 Fisher公司是如何利用IEC60534工业过程控制阀标准的。实际流量系数具体数值见表四表四相对行楸102030405060708090100理论流量系数Cv6.639.814.521.431.646.869.2102.4151.4224实际流量系数Cv5.8511.618.330.249.779.7125171205224IgKvn 4gKv n-10.2930.20.220.220.200.200.130.080.04Fisher公司DN100 ET笼式阀等百分比流量系数与标准等百分比流量系数对比，见图一相对流量相对行程标准值FISHER图一我们根据Fisher产品选型软件上发布的相对行程与相对流量数值，计算ET、EZ两大系列十多种控制阀的曲线，也基本遵守这个原则。所以各控制阀生产企业不要刻意追 求理想等百分比流量特性各点均符合斜率偏差土 30%，而应在不影响用户使用前提下，充分利用标准规定的相对行程h0.8斜率偏差需%的要求，可使设计和生产制造过程大大简化目前，国内各大、中型项目的采购普遍采取招标的方式 进行。在招投标过程中技术分又占有绝对比重，各控制阀 生产厂经常遇到设计单位、使用单位与生产制造单位核对 控制阀开度情况，核对过程都是按照标准理想流量特性核 对的。由于各个控制阀生产制造企业所生产的控制阀的实 际流量特性曲线非常不一致，与理想流量特性相差甚远。 还以 Fisher 公司生产的 DN100 ET 型笼式阀为例，在相 对流量为 100 、125、150 时，相对行程都有 15% 左右的 误差（见图一）。因此核对控制阀开度即不科学又无任何实 质意义。设计、使用单位要想得到实际控制阀开度，就要 根据控制阀生产企业实际流量特性曲线进行核对。控制阀的合理选用是一门综合性科学；需要控制阀设计 单位、使用单位和生产企业边学习、边实践以达到满意的 使用效果。流量系数计算公式汇总表判别条件计算公式符号及单位KvQl ,p闪蒸及空化KvQP -PtPv 二 Fl(Pi FfPv)x v FkXtQg5.19;TnZxx_FkXtk：QpiTNZKXt蒸八、汽x v FkXtiW；FkXtKkXTPl液体与非液化气体KvWg Wl3.16 P -eWg+WL2/3Wg gy Wl l10流液体与蒸汽KvWg Wl3.16F:P1(Ff)Wg Wl3Wgs Wl l10Q-液体体积流量，m/hQ -气体标准状态体积流量，NrhW液体质量流量，kg/hW蒸汽质量流量，kg/hW气体质量流量，kg/hP1-阀前绝对压力，kPaP2-阀后绝对压力，kPa p-阀前后压差，kPaPv-饱和蒸汽压，kPap l-液体密度，g/cm3p g-气体密度（p 1、T1条件下）p N-气体标准状态密度，kg/Nm5p 1-蒸汽阀前密度kg/m3p e-两相流的有效密度kg/m3p叶两相流的入口密度kg/m3Z-压缩系数；-膨胀系数y = 1 3FkXtx-压差比x= p/p 1Xt-临界压差比Fl-压力恢复系数Fk-比热比系数F K=k/1.4k-气体绝热指数（对空气k=1.4 ）Ff-临界压力比系数气液两相流流量系数的计算流量系数Kv是指温度为540C温度范围内的水在105Pa （1 bar ）压降下，在规定 行程下每小时内流过阀的立方米数。现在也有很多厂家习惯使用 Cv值表示，流量系数 Cv是指用40100 F的水，保持阀门两端压差为1psi情况下，阀全开状态下每分钟通过 阀的美加仑数。Cv与Kv的换算公式为：Cv=1.156 Kv。在对控制阀进行选型时，最关键的是根据所给工况条件正确计算流量系数，根据计 算的流量系数合理选用阀门口径介质为单纯液体、气体、蒸汽时都有正确的计算公式， 在这里就不再叙述了，计算时只要区分是否为阻塞流的情况，按照公式很容易计算。当 介质为气液两相流时，各个控制阀制造厂家也有不同的计算方法，过去一般都采用分别 计算液体和气体（蒸汽）的Kv值，然后相加作为阀门总的流量系数值，这种分别计算 液体及气体的流量系数，然后相加的方法是基于两种流体单独流动的观点，没有考虑到 他们的相互影响。实际上，当气相大大多于液相时，液相成为雾状，具有近似于气相的 性质；当液相大大多于气相时，气相成为气泡夹杂在液相中间，这时具有液相性质，此 时用上述方法计算误差就很大，前者偏大而后者偏小。因此对两相流介质进行流量系数 计算时必须要考虑到两相流动互相影响，找出更准确有效的计算方法，本文现介绍两种 不同的两相流流量系数的计算方法即有效密度法和修正系数法。一、有效密度法目前国内大部分厂家都采用这种方法。计算前提是：气、液两相介质必须均匀混合，而且其中每一单相流体均未达到阻塞 流条件，判决条件如下：液体 PvR（:备塩怜），气体Xv FkX, 阀前压力kPaA P 阀前后压差kPaX 压差比 P/ .FL无附接管件控制阀的液体压力恢复系数，无量纲（见表1）一一阻塞流条件下无附接管件控制阀的压差比系数，无量纲（见表 1）4比热比系数，耳=k/1.4 （k是气体的绝热指数）Fp = 0.96 - 0.28 X 烏kPaA表1压力恢复系数和临界压差比、阀的类型阀内件流动方向XT单座阀柱塞型流山丿丨/流关0.9/0.80.72/0.55窗口型任意0.90.75套筒型流山丿丨/流关0.9/0.80.75/0.7双座阀柱塞型任意0.850.7窗口型任意0.90.75角形阀柱塞型流山丿丨/流关0.9/0.80.72/0.65套筒型流山丿丨/流关0.85/0.80.65/0.6球阀0型球阀任意0.550.15V型球阀任意0.60.25偏心旋转阀偏心球塞流山丿丨/流关0.85/0.680.6/0.4蝶阀(中心式)60全开任意0.700.4290全开任意0.600.20注：上表所列数值为典型值，实际数值以制造商提供为准。 符合以上条件后，两相流流体流量系数计算公式如下：(1)液体与非液化性气体Wg + WL316 X v APX Pe式中趴篇为两相流密度：u e =Wg . WLP gXyz 一 103 X P 1或Wg + WLP e =盹 XTWL2,64 X y2 X Pj X P x X Z 103 X P 1式中八船加=1-鴉序g 气体质量流量kg/h锋液体质量流量kg/h1 ：气体操作密度kg/m3I 入口绝对温度，K Z 压缩系数: 标准状态下气体密度kg/N.m3| I 液体密度g/cm3注：当气体所给流量单位是Nm/h时，可用下式进行换算kg/h = Nm 3/h 菽:1292T,气体比重（2）液体与蒸汽对液当蒸汽占绝大部分的两相混合流体用液体与非液化性气体所给公式进行计算。体占绝大部分的两相混合流体，计算公式为：,WqK 316 X Fl7PiX Pm(lrFF)式中L：二为两相流密度：P m =Pg 103 X P 1她 X T .2,64 X X P x 103 X P 1例1,在两相流介质中，流体是空气和水的混合流体，=1100kPaA, P=300kPa,3=353K，水质量流量=20000kg/h,空气质量流量=240 kg/h，空气密度为1.293kg/Nm,水的密度为0.972g/cm3。查关资料的压缩系数Z为1.01选用气动薄膜单座阀 -=0.9，热F=0.72,PC=22120kPa,=47.36 kPa（1）首先判别液体或气体是否有阻塞流, 对液体，= 2()=0.9 2 (1100-0.947X47J6)二 854.67 kPa式中，-无阻塞流时最大允许压差，kPa=0.947Ff= 0-96- 0,28 X由于 P=300kPa 4C6S18.33经计算，液体芯气体二1.39（计算过程略）如果采用分别计算液体和气体的流量系数，然后相加可得:总:选 - -用此方法和有效密度的计算方法相比，计算结果相差27.8%。例2,在两相流介质中，流体是蒸气和水的混合流体，P仁800kPaA, P=80kPa,T仁438K水质量流量 4000kg/h,蒸气质量流量2000 kg/h，蒸气密度为334.085kg/m ,水的密度为 0.907g/cm。选用气动薄膜单座阀 1=0.9，畸F=0.72,PC=22120kPa,=700.77 kPa（1）首先判别液体或蒸汽是否有阻塞流, 对液体，二 131.5kPa PT=fL(P1_h )=0.9 2( 800-0.91 八 式中， PT 无阻塞流时最大允许压差，kPa蛰：（加=（畑败启=0.96-常=0.91由于 P=80kPa PT,所以不产生阻塞流。对蒸汽，%= P/P1=80/800=0.1 v FrXt=1 ii ?).厂1口 所以蒸汽也不产生阻塞流（2）计算流量系数 有效密度:_ Wg + WL m = Wg wL -Pg 10a X P 1_2000- 4000=4000-4,085 _ 103 X 0.907=12.14把有效密度二乍带入计算懸乍316 XFlJPiX Pm(l-FJ=71.36如果采用分别计算液体和蒸气的流量系数，然后相加可得：液体冠4.7蒸汽卷37.33（计算过程略）总儿弋 -：-： .用此方法和有效密度的计算方法相比，计算结果相差69.8%二、修正系数法现Fisher公司采用这种计算方法G值，然后通过气体容积1进行计算。具体方法是按照单一状态分别计算气体（蒸汽）和液体的率V与Fm曲线（见图1），找出修正系数Fm数值，再按照公式1）两相混合流体的流量系数计算公式为：Cvr=（ C vl + Cvg） （公式1）2）液体和气体混合的平均容积计算公式为：Vr =3）液体和蒸汽混合的平均容积计算公式为:Vr=vg+vl.式中 C vr 两相混合流体的C值C vl 液体部分的Cv值Gg气体部分的C/值Fn G值修正系数住阀前压力psiaT1 入口温度。R （ R兰金温标度= F+460）Qg-Wi MW （侧）Ql-Mi埶邮申伽）/气体容积率X蒸汽质量与两相流整体质量的比值4）如果压差比（ P/P1 ）超过了图2所要求的范围，那么就很可能是其中的液 体产生了阻塞流，因此必须对液体阻塞流进行判断，并相应计算Cv值。判别公式为 PT= 2(Fm气体容积率V图1 Fm与V关系曲线图 P/P1图2 C1与（厶P/P1）曲线图注：图2中3= 39.7例3,在两相流介质中，流体是空气和水的混合流体，_ =1100kPaA=159.5psia, P=300kPa=43.5psi,=353K=636 R,水质量流量=20000kg/h=88.18gpm,空气质量流量=240 kg/h=6922.07 scfh.选用气动薄膜单座阀-=0.9， .-=0.72,冷:=22120kPaA ,=47.36kPaA(1) 首先判断是否存在阻塞流， P/P1=43.5/159.5=0.273=39.76 J =39.76=33.737由图2曲线可以看 3=33.737时， P/比为0.52，由于 P/P1=0.27 V0.52,因此无阻塞流产生。(2) 计算液体和气体混合的平均容积：Vr =：T；65221=0.524由图1曲线可以得出当 V =0.524时Fm=0.48(3) 分别计算单独流动情况下的CV值经计算，液体G=13.7气体Cvg=1.61 (计算过程略)C vr=( Cvl+ Cvg) ；i * 几=(13.7+1.61)2： L*TUM =19.6)这样分别计算液体和气体的流量系数并相加的总 =15.31与修正系数法计算的%8 1 例4,在两相流介质中，流体是蒸气和水的混合流体，_ =800kPaA=116psia, P=80kPa=11.6psi,兀i =438K=789 R,水质量流量=4000kg/h=0.043ft 3/s,蒸气质量流量=2000 kg/h=4.8 ft 3/s，蒸汽密度为 4.083 kg/m 3,水的密度为 0.907g/cm3,X=0.33 选用气动薄膜单座阀 R(=0.9，一务=0.72,PC=22120kPa,F；=700.77 kPa(1)首先判别液体或气体是否有阻塞流， P/P仁 11.6/116=0.1C1=39.76 =39.76=33.737由图2曲线可以看 3=33.737时， P/ 一为0.52 , 由于 P/P1=0.1 V 0.52,因此无阻塞流产生(2)计算液体和气体混合的平均容积V飞阿寻=詔址赋三尹=0.982由图1曲线可以得出当 V =0.982时Fm=0.63(3) 分别计算单独流动情况下的CV值经计算，液体Czi =5.43蒸汽CVg =43.15 (计算过程略)Cvr=( Cvl+ Cvg) X (1 = FiZl)=68.5)=(5.43+43.15)这样分别计算液体和气体的流量系数并相加的总=48.58与修正系数法计算的62.9%。经过以上的计算例题分析得出，无论是有效密度法和修正系数法计算混合流体的(Kv)值的数值都是比较接近的，虽然有些偏差，但数值不大，不会影响控制阀的选型， 相对于分别计算液体和气体(蒸汽)相加的结果要准确很多，计算时希望大家选择计算 参数比较容易获得的方法进行计算即可。参考资料调节阀使用与维修吴国熙著本文参与艾默生 Fisher 杯有奖征文评选作者简介：李艳荣 女 1976年 12 月 天津精通控制仪表技术有限公司高级工程师高级工程师马兴平 男 1953年 7 月 天津精通控制仪表技术有限公司