控制硬件:电动气动执行

流动特性

所有控制阀都有一个固有的流量特性，它定义了在恒定压力条件下“阀门开度”和流量之间的关系。请注意，这里所说的“阀门开启度”指的是阀门旋塞相对于阀座关闭位置的相对位置。它不是指孔口通过的面积。孔口通过区域有时被称为“阀门喉部”，是阀门塞和阀座之间任何时候流体通过的最窄点。对于任何一种阀门，不管它的特点是什么，流量和孔口通过面积之间的关系总是成正比的。

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门将具有完全相同的孔口通过面积。然而，不同的阀门特性将为相同的通过区域提供不同的“阀门开口”。比较线性阀和等百分比阀，线性阀在特定压降和流量下可能有25%的阀开度，而等百分比阀在完全相同的条件下可能有65%的阀开度。孔板通过区域应相同。

阀塞和阀座结构的物理形状，有时称为阀门“阀内件”，导致这些阀门之间的阀门开度不同。主轴操作的截止阀的典型阀内件形状如图6.5.1所示。

在本模块中，术语“阀门升程”用于定义阀门的开度，无论阀门是截止阀(阀塞相对于阀座的上下运动)还是旋转阀(阀塞相对于阀座的横向运动)。

旋转阀（例如，球阀和蝶阀）各有一个基本特性曲线，但改变球阀或蝶阀塞的细节可能会改变这一点。图6.5.2比较了典型截止阀和旋转阀的固有流量特性。

图6.5.1和6.5.2显示了这些例子及其内在特征。

快开特性

快速开启特性阀塞在阀门从关闭位置升程很小的情况下，流量变化很大。例如，阀门升力为50%可能导致孔口通过面积和流量达到其最大潜力的90%。

使用此类阀塞的阀门有时被称为具有“开/关”特性。

不同于线性和等百分比特性，快开曲线的确切形状在标准中没有定义。因此，两个阀门，一个在50%升力下流量为80%，另一个在60%升力下流量为90%，都可以认为具有快开特性。

快速开启阀往往是电动或气动驱动的，用于“开/关”控制。

自动式控制阀趋向于具有与图6.5.1中的快开阀相似的旋塞形状。塞的位置对控制系统中的液体或蒸汽压力的变化作出响应。相对于控制条件的微小变化，这种类型的阀塞的运动非常小，因此这种阀门具有固有的高量程性。因此，阀塞能够再现流量的微小变化，不应视为快速开启控制阀。

线性特性

线性特性阀塞的形状使流量与阀升程(H)成正比，在恒定的压差下。线性阀通过在阀升程和节流孔通过面积之间建立线性关系来实现这一点(见图6.5.3)。

例如，当阀门升程为40%时，40%的孔口尺寸允许40%的全流量通过。

等百分比特性(或对数特性)

这些阀门都有一个阀塞形状，因此每增加一个阀升程，流量就增加先前流量的一定百分比。气门升程与节流孔尺寸(流量)的关系不是线性关系，而是对数关系，数学表达式如式6.5.1所示:

6.5.1例子

通过具有等百分比特性的控制阀的最大流量为10m³/h。如果阀门的关差为50:1，并且施加恒定的压差，使用公式6.5.1，有多少数量的升程分别为40%、50%和60%通过阀门?

通过这种类型的控制阀的体积流量的增加，每等量增加阀门的运动，体积流量就增加一个相同的百分比:

• 阀门开启50%时通过1.414 m³/h，比阀门开启40%时流量0.956 m³/h增加48%。
• 阀门开度为60%时通过2.091 m³/h，比阀门开度为50%时流量为1.414 m³/h增加48%。

可以看出（在压差恒定的情况下），对于任何10%的气门升程增加，通过控制阀的流量增加48%。对于量程为50的等百分比阀门，情况始终如此。值得注意的是，如果阀门的量程为100，则当阀门升程变化10%时，流量增量增加为58%。

表6.5.1显示了在例6.5.1中，当量程为50且压差恒定时，等百分比阀门在阀升程范围内流量的变化情况。

有时也会使用其他一些阀的固有特性，如抛物线型、改进型线性或双曲线型，但制造中最常见的类型是快开型、线性型和等百分比型。

将阀门特性与安装特性相匹配

每个应用程序都有一个独特的安装特性，将流体流量与热需求联系起来。通过阀门控制加热流体流动的压差也可以变化:

• 在水系统中，泵特性曲线意味着随着流量减少，上游阀门压力增加（参考示例6.5.2和模块6.3）。
• 在蒸汽温度控制系统中，控制阀上的压降是故意变化的，以满足所需的热负荷。

为应用选择的控制阀的特性应该导致阀门开度和流量之间的直接关系，超过阀门的尽可能多的行程。

本节将考虑控制水和蒸汽系统的阀门特性的各种选择。一般来说，线性阀用于水系统，而蒸汽系统往往以相等的百分比阀运行更好。

1.一种带三口阀的水循环加热系统

在水系统中，如果将恒定流量的水混合或由三端口阀门引入平衡回路，则阀门上的压力损失将尽可能保持稳定，以维持系统中的平衡．

结论
-在这些应用中，最好的选择通常是具有线性特性的阀门。因此，其安装特性和固有特性总是相似和线性的，控制回路的增益有限。

2.一种锅炉水位控制系统-一种带两端口阀门的水系统
valvetwo-port阀

在这种类型的系统中(如图6.5.6所示)，当一个两端口给水控制阀改变水的流量时，通过控制阀的压降将随流量而变化。这种变化是由以下原因造成的:

• 泵的特点。当流量减少时，泵和锅炉之间的压差就会增加(这个现象在模块6.3中有更详细的讨论)。
• 管道的摩擦阻力随流量变化。摩擦损失的水头与速度的平方成正比。（这一现象将在模块6.3中进一步详细讨论）。
• 锅炉内的压力会随着蒸汽负荷、燃烧器控制系统的类型和控制方式的变化而变化。

例6.5.2选择图6.5.6中的给水阀并通径

在一个简化的示例中（假设锅炉压力恒定，管道系统摩擦损失恒定），锅炉的额定功率为每小时产生10吨蒸汽。表6.5.2列出了锅炉给水泵的性能特征，以及在给水最大流量要求为10 m³/h及以下的各种流速下，给水阀产生的压差（ΔP）。

注意:阀ΔP是泵排放压力与锅炉恒定压力10bar g之间的差值。请注意，泵排放压力将随着给水流量的增加而下降。这意味着给水阀前的水压也随着流量的增加而下降，这将影响压降与通过阀门的流量之间的关系。

从表6.5.2可以确定，从空载到满载，泵排放压力的下降约为26%，但通过给水阀的压差下降要大得多，达到72%。如果在确定阀门通径时没有考虑到通过阀门下降的压差，则阀门可能通径过小。

如模块6.2和6.3所述，阀门的容量通常用Kv来测量。更具体地说，Kvs涉及阀门全开时的通区，而Kvr涉及应用要求的阀门通区。

考虑阀门开度为10的全开阀的通流面积是否为100%。如果阀门关闭，通孔面积为全开通过面积的60%，则KVR也为10＝6的60%。这与阀固有特性无关，通过每个开口处的阀的流量将取决于当时的压差。

利用表6.5.2中的数据，利用由式6.3.2推导出来的式6.5.2，可以计算出每一个增量流量和阀压差所需的阀门容量Kvr。Kvr可以被认为是安装所需的实际阀门容量，如果与所需流量进行对比，得到的曲线图可以称为“安装曲线”。

在满载条件下，根据表6.5.2：

通过阀门的所需流量=10 m³/h

ΔP穿过阀门= 1.54 bar

根据方程式6.5.2：

ΔP穿过阀门= 1.54 bar

从方程6.5.2:酒吧

从表6.5.2中取阀门流量和阀门ΔP，由式6.5.2可求出每个增量的Kvr;如表6.5.3所示。

构造安装曲线

Kvr为8.06，满足本例的最大流量条件为10 m3/h。

安装曲线可以通过比较流量和Kvr来构建，但通常用百分比来查看安装曲线更方便。这简单地意味着Kvr对Kvs的百分比，或者换句话说，实际传球面积相对于全开传球面积的百分比。

对于本例:通过取任意负载下的Kvr相对于Kvs的比值(8.06)来构造安装曲线。Kvs为8.06的阀门将是“完美尺寸”，并将描述安装曲线，如表6.5.4所示，并绘制在图6.5.7中。这个安装曲线可以被认为是本例中尺寸完美的阀门的阀门容量。

可以看出，由于阀门的尺寸对于这种安装来说是“完美的”，因此当阀门完全打开时，最大流量是可以满足的。

但是，选择一个通径完全的阀门是不可能的，也是不可取的。在实践中，所选阀门通常至少要大一个通径，因此Kvs要比安装Kvr大。

由于Kvs为8.06的阀门尚未上市，下一个更大的标准阀门将拥有Kvs为10的公称DN25连接。

将Kvs为10的线性和等百分比阀门与本例的安装曲线进行比较是很有趣的。

考虑一个具有线性固有特性的阀门

具有线性特性的阀是指阀升程与节流孔面积呈线性关系。因此，在任何流动条件下，通过面积和阀门升程都是简单的Kvr表示为阀门Kvs的比例。例如:

从表6.5.4可以看出，在最大流量为10 m³/h时，Kvr为8.06。如果线性阀的Kvs为10，为了满足所需的最大流量，阀门将提升：

使用相同的程序，可以确定线性阀在不同流量下所需的孔口尺寸和阀升程，如表6.5.5所示。

等百分比阀门需要完全相同的通过面积才能满足相同的最大流量，但其升程与线性阀门不同。

考虑一个具有等量固有特性的阀门
给定一个阀的范围为50:1，τ= 50，则升力(H)可由式6.5.1确定:

阀升程百分比由式6.5.3表示。

由于通过任何阀门的体积流量与孔口通流面积成正比，因此可以将公式6.5.3修改为以通流面积和Kv表示的等百分比阀门升力。

方程6.5.4显示了这一点。

经计算，最大流量为10 m³/h时的Kvr为8.06,DN25阀的Kvs为10。使用式6.5.4，则满负荷时所需的气门升程为:
因此：

使用相同的程序，在不同流量下所需的阀门升程可由式6.5.4确定，如表6.5.6所示。

比较这种应用的线性和等百分比阀门

对于线性和等百分比的阀固有特性，示例6.5.2中的应用曲线和阀门曲线如图6.5.8所示。

请注意，等百分比阀比线性阀具有更高的扬程，以实现相同的流量。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”（这将产生安装曲线）大，等百分比阀的升程明显高于安装曲线。相比之下，线性阀的升程总是低于安装曲线。

线性阀曲线的圆角特性是由于当流量增加时压差在阀上下降。如果泵的压力在整个流量范围内保持恒定，那么安装曲线和线性阀的曲线都将是直线的。

通过观察等百分比阀的曲线，可以看出，尽管在其整个行程中没有实现线性关系，但它高于流量的50%。

与线性阀相比，等百分比阀在低流量下具有优势。考虑，在10%流率为1米/小时，线性阀只提升大约4%，而相等百分比的阀门提升大约20%。尽管两个阀门的孔口通过面积完全相同，但等百分比阀塞的形状意味着其在远离阀座的位置运行，从而降低了因低流量下负载快速降低而导致阀塞和阀座之间碰撞损坏的风险。

一个超大的等百分比阀仍然可以很好地控制其整个范围，然而一个超大的线性阀可能由于在升力很小的情况下引起快速的流量变化而执行效率较低。

结论:在大多数应用中，相同比例的阀门将提供良好的结果，并且对过通径非常宽容。它将提供一个更恒定的增益，随着负载的变化，帮助提供一个更稳定的控制回路在任何时候。然而，可以从图6.5.8中观察到，如果线性阀的通径合适，它将在这种类型的水应用中表现得很好。

3.采用双通道阀门的蒸汽温度控制

在以蒸汽作为主要加热剂的热交换器中，温度控制是通过一个双端口控制阀来改变蒸汽的流量，以匹配蒸汽在受热面冷凝的速率。这种不断变化的蒸汽流量改变了热交换器中蒸汽的压力(从而也改变了温度)，从而改变了传热速率。

6.5.3例子

在特定的蒸汽-水热交换过程中，建议:

• 水从10°C加热到恒定的60°C。
• 流量范围为0 ~ 10l /s (kg/s)。
• 在满负荷时，在热交换器盘管中需要4 bar a的蒸汽。
• 满负荷时，总换热系数U为1 500 W/m2°C，二次流量每降低10%，总换热系数U降低4%。

利用这些数据，并通过应用正确的方程，可以确定以下性质:

• 使传热面积满足最大负荷。在此之前，不能找到以下情况:
• 不同热负荷下的蒸汽温度。
• 不同热负荷下的蒸汽压力。

在最大负载下：

• 找到热负荷。

热负荷由方程式2.6.5确定：

• 求出满足最大负荷所需的传热面积。

传热面积(A)由式2.5.3可得:

在此阶段，ΔTLM未知，但可由一次蒸汽和二次水温度计算，使用式2.5.5。

• 求对数平均温差。

ΔTLM可由式2.5.5确定:

在水流量减少10%的情况下，找到其他热负荷的条件:

• 找到热负荷。

如果水流量下降10%至9 kg/s，热负荷将降低至：

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

1500 W/m2°C的初始“U”值降低4%，因此蒸汽空间所需的温度可根据方程式2.5.3计算：

• 找到此降低负荷下的蒸汽温度。

如果ΔTLM = 100°C，且T1, T2已知，则t可由式2.5.5确定:

• 求蒸汽流量。

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

在3.32 bar a时，hfg = 2 153.5 kJ/kg，由式2.8.1可得:

使用该程序，可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可根据方程式6.5.6计算，该方程式由蒸汽流量公式（方程式3.21.2）推导而来。

使用这个程序，可以确定每个流量增量的Kvr，如表6.5.8所示。

安装曲线也可以通过考虑Kvr在所有负载下的“完美尺寸”Kvs 69.2来定义。

Kvr为69.2，满足了10kg / s的最大二次流量。

与例6.5.2中的方法相同，使用任意负载下Kvr相对于Kvs 69.2的比值来描述安装曲线。

例如，此类阀门应为“完美尺寸”，并将描述安装曲线，如表6.5.8所示，如图6.5.9所示。

安装曲线可以被认为是阀门的阀门容量，其尺寸完全符合应用要求。

可以看出，由于Kvs为69.2的阀门在此应用中“尺寸完美”，因此当阀门完全打开时，满足最大流量。

然而，正如在水阀通径示例6.5.2中所示，不希望选择一个通径完全合适的阀门。在实践中，通常情况下，所选阀门的通径至少要比要求的通径大一个，因此Kvs要大于应用Kvr。

Kvs为69.2的阀门目前还没有上市，而下一个更大的标准阀门的Kvs为100，公称DN80连接。

将Kvs为100的线性和等百分比阀门与本例的安装曲线进行比较是很有趣的。

考虑一个具有线性固有特性的阀门

具有线性特性的阀是指阀升程与节流孔面积呈线性关系。因此，在任何流动条件下，通过面积和阀门升程都是简单的Kvr表示为阀门Kvs的比例。为例。

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

使用相同的程序，可以确定一系列流量的线性阀门升程，并在表6.5.9中列出。

考虑一个具有等量固有特性的阀门

等百分比阀门需要完全相同的通过面积才能满足相同的最大流量，但其升程与线性阀门不同。

假设阀压降比τ = 50，则升力(H)可由式6.5.4确定。

使用相同的程序，从式6.5.4可以确定该安装的流量范围内的阀门升程百分比。

直线阀和等百分比阀的相应升降和安装曲线见表6.5.9。

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

在大约90%的载荷下，图形的形状会发生突然变化；这是由于此时发生的通过控制阀的临界压降的影响。

在本例中负荷大于86%时，可以看出换热器内的蒸汽压力大于2.9 bar a，以5 bar a进料控制阀为临界压力值。(有关临界压力的更多信息，请参阅模块6.4，蒸汽控制阀通径)。

人们普遍认为，控制阀很难控制在其量程的10%以下，实际上，它们通常在其量程的20%到80%之间工作。

图6.5.10中的图形指的是Kvs为100的线性和等百分比阀门，它们是在应用曲线(所需Kvr为69.2)以上具有合适容量的下一个更大的标准阀门，通常用于这个特定的例子。

大于必要值的控制阀的作用

值得考虑的是，如果选择下一个较大的线性或同等百分比阀门，会产生什么影响。为了适应相同的蒸汽负荷，每个阀门的升程都低于图6.5.10中所示的升程。

下一个较大的标准阀的Kvs为160。值得注意的是，如果选择了这些阀门，它们将如何运行，如表6.5.10和图6.5.11所示。

从图6.5.11可以看出，与图6.5.10中较小(尺寸合适)的阀门相比，两个阀门的曲线都向左移动，而安装曲线保持不变。

线性阀的变化非常显著；可以看出，在30%的负载下，阀门仅打开10%。即使在85%负载下，阀门也只有30%打开。还可以观察到，对于相对较小的升力变化，流量变化较大。这实际上意味着阀门在其90%的范围内作为快动阀运行。这不是此类蒸汽装置的最佳固有特性，因为蒸汽流量的变化通常比较缓慢。

尽管等百分比阀门曲线已经移动了位置，但它仍然位于安装曲线的右侧，能够提供良好的控制。其曲线的下部相对较浅，在其初始行程中提供较慢的开启速度，在这种情况下，它比线性阀更适合控制蒸汽流量。

可能导致尺寸过大的情况包括：

• 应用数据为近似值，因此包含额外的“安全系数”。
• 包括操作“因素”的尺寸调整程序，如污垢的过度裕量。
• 计算出的Kvr仅略高于标准阀门的Kvs，必须选择更大的通径。

也有以下情况:

• 在满负荷时，控制阀上的可用压降很低。

例如，如果蒸汽供应压力为4.5 bar a，而热交换器在满负荷时所需的蒸汽压力为4bar a，这只会在满负荷时产生11%的压降。

• 最小负荷比最大负荷小得多

线性阀门特性意味着阀塞在阀座附近工作，有可能损坏。

在这些常见的情况下，等百分比阀特性将提供一个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推荐双端口控制阀具有相同的百分比特性，特别是用于可压缩流体(如蒸汽)时。

请注意:如果有机会，最好是在最大负载下给蒸汽阀门设置尽可能高的压降;即使在条件允许的情况下，控制阀出现临界压降。这有助于减少控制阀的尺寸和成本，使安装曲线更线性，并为选择线性阀门提供了机会。

但是，条件可能不允许这样做。只能根据应用条件确定阀门尺寸。例如，如果热交换器工作压力为4.5 bar a，且最大可用蒸汽压力仅为5 bar a，则只能根据10%的压降确定阀门尺寸（[5–4.5]/5）.在这种情况下，根据临界压降确定阀门尺寸会减小控制阀的尺寸，并使热交换器的蒸汽不足。

如果不可能增加蒸汽供应压力，一个解决方案是安装一个工作在较低工作压力下的热交换器。这样，通过控制阀的压降就会增加。这可能会导致一个更小的阀门，但也会导致一个更大的热交换器，因为热交换器的工作温度现在更低。

另一组优势来自于更大的热交换器在更低的蒸汽压力下运行:

• 加热表面的结垢和污垢倾向较小。
• 冷凝系统产生的闪蒸较少。
• 冷凝系统的反压较小。

必须在控制阀和热交换器的成本、阀门适当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，等百分比阀门通常是比线性阀门更好的选择，因为如果出现低的压降，在整个阀门运动范围内，它们对性能的影响较小。