3.3　调节阀结构特性和流量特性

调节阀总是安装在工艺管道上，调节阀与管道连接方框图如图3-11所示。

图3-11中，u是控制器输出的控制信号；为相对流量，即调节阀在某一开度下流量Q与全开时流量Q100之比；f=F/F100为相对节流面积，调节阀在某一开度下节流面积F与全开时节流面积F100之比；为相对开度，调节阀在某一开度下，行程L与全开时行程之比。

调节阀的静态特性：

调节阀的动态特性：

其中，U(s)是控制器输出控制信号u的象函数；q(s)是被调介质流过阀门相对流量q的象函数。Kv的符号由调节阀的作用方式决定，气开式调节阀Kv为“+”，气关式调节阀Kv为“-”。Tv为调节阀的时间常数，一般很小，可以忽略。但在如流量控制这样的快速过程中，Tv有时不能忽略。

因为执行机构静态时输出l（阀门的相对开度）与u成比例关系，所以调节阀静态特性又称调节阀流量特性，即。它主要取决于阀的结构特性和工艺配管情况。下面将分别详细论述调节阀结构特性和流量特性。

3.3.1　调节阀的结构特性

调节阀结构特性是指阀芯与阀座间节流面积与阀门开度之间的关系，通常用相对量表示为

式中，f=F/F100为相对节流面积；为相对开度。

调节阀结构特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面对应不同的结构特性。如图3-12所示，阀芯形状有快开、直线、抛物线和等百分比四种，对应的结构特性如图3-13所示。

1．线性结构特性

线性结构特性是指调节阀的相对节流面积与阀的相对开度成线性关系，用相对量表示即有

对式（3-16）积分可得

式中，k、c均为常数。

若已知边界条件为：L=0时，F=F0；L=L100时，F=F100，即l=0时，f=F0/F100；l=1时，f=1。

把边界条件代入式（3-17），可得，，则

式中，R=F100/F0为调节阀全开时节流面积F100与全关时节流面积F0之比，被称为调节阀可调范围。目前我国统一设计时取R等于30，但有些特殊的调节阀，如V形球阀和全功能超轻型调节阀，R可取100～200，调节阀的结构特性（R=30）见图3-13。从式（3-18）或图3-13可以看出，各种调节阀全关时的f均为1/R，即1/30=3.33％，也就是当l=0％时，f=3.3％。

由式（3-18）可知，调节阀的相对节流面积与相对开度为线性关系。如图3-13中直线1所示，这种结构特性的斜率在全行程范围内是一个常数。所以无论阀杆原来在什么位置，只要阀芯位移变化量相同，则节流面积f的增量也总是相同的。如当相对开度变化10%时，所引起的相对节流面积f的增量总是9.67%，但调节阀在小开度和大开度时，相对节流面积f的相对变化量却不同。下面以相对开度分别为10%、50%和80%三点为例进行定量分析。

①当时，。若相对开度增加10%，则相对节流面积f的相对变化量为

此时，若忽略纵轴的3.3，也可近似认为，当相对开度增加10%时，相对节流面积f增加1倍，即变化后的相对节流面积f是变化前的20%/10%=2倍。

②当时，。若相对开度增加10%，则相对节流面积f的相对变化量为

此时，若忽略纵轴的3.3，也可近似认为，当相对开度增加10%时，相对节流面积f增加0.2倍，即变化后的相对节流面积f是变化前的60%/50%=1.2倍。

③当时，。若相对开度增加10%，则相对节流面积f的相对变化量为

此时，若忽略纵轴的3.3，也可近似认为，当相对开度增加10%时，相对节流面积f增加0.125倍，即变化后的相对节流面积f是变化前的90%/80%=1.125倍。

由此可见，对于同样大的阀芯位移，小开度时的相对节流面积的相对变化量大，这时灵敏度过高，控制作用过强，容易产生振荡，对控制不利；大开度时的相对节流面积的相对变化小，这时灵敏度又太小，控制缓慢，削弱了控制作用。因此，这种结构特性的缺点是它在小开度时调节灵敏度过高，而在大开度时调节又不够灵敏。当线性结构特性阀工作在小开度或大开度的情况下，控制性能都较差，不宜在负荷变化大的场合使用。

2．等百分比（对数）结构特性

等百分比（对数）结构特性是指在任意开度下，单位行程变化所引起的节流面积变化都与该节流面积本身成正比关系，用相对量表示时即有

对式（3-19）积分并代入前述边界条件：l=0时，f=F0/F100=1/R；l=1时，f=1，可得

可见，f与l之间成对数关系，如图3-13中曲线2，因此这种特性又称为对数特性。这种特性的调节阀，小开度时节流面积变化平缓；大开度时节流面积变化加快，可保证在各种开度下的调节灵敏度都一样。

3．快开结构特性

快开结构特性调节阀的特点是结构特别简单，阀芯的最大有效行程为dg/4（dg为阀座直径）。其特性如图3-13中曲线3所示。特性方程为

从调节灵敏度看，这种特性比线性结构还要差，因此很少用作调节阀。

4．抛物线结构特性

抛物线结构特性是指阀的节流面积与开度成抛物线关系。其特性方程为

它的特性很接近等百分比特性，如图3-13曲线4所示。

3.3.2　调节阀的流量特性

调节阀的流量特性是指流体流过阀门的流量与阀门开度之间的关系，可用相对量表示为

式中，为相对流量；为相对开度。

值得注意的是，调节阀一旦制成以后，它的结构特性就确定不变了。但流过调节阀的流量不仅决定于阀的开度，而且也决定于阀前、后的压差和它所在的整个管路系统的工作情况。下面为便于分析起见，先考虑阀前、后压差固定情况下阀的流量特性，再讨论阀在管路中工作时的实际情况。

1．理想流量特性

在调节阀前、后压差固定（Δp=常数）情况下得到的流量特性被称为理想流量特性。

假设调节阀流量系数与阀节流面积成线性关系，即

式中，C和C100分别为调节阀流量系数和额定流量系数。

由式（3-4）可知，通过调节阀的流量为

调节阀全开时，f=1，Q=Q100，式（3-25）变为

当Δp=常数时，由式（3-25）和式（3-26）得

式（3-27）表明，若调节阀流量系数与节流面积成线性关系，那么调节阀的结构特性就是理想流量特性。

2．工作流量特性

调节阀在实际使用的情况下，其流量与开度之间的关系被称为调节阀工作流量特性。根据调节阀所在的管道情况，可以分串联和并联管系来讨论。

（1）串联管系调节阀的工作流量特性

图3-14表示调节阀与工艺设备串联工作时的情况，此时阀上的压降只是管道系统总压降的一部分。由于设备和管道上的压力损失与通过的流量成平方关系，因此当总压降一定时，随着阀开度增大，管道流量增加，调节阀上压降将逐渐减小，串联管系调节阀上压降变化如图3-15所示。这样，在相同的阀芯位移下，现在的流量要比调节阀上压降保持不变的理想情况小。

以S100表示调节阀全开时的压降与系统总压降之比，被称为全开阀阻比，即

式中，为管道系统中除调节阀外其余各部分压降之和。

全开阀阻比S100是表示串联管系中配管状况的一个重要参数。

由式（3-25）可得

如果与调节阀相类似，引入管道系统流量系数Ce的概念。它代表单位压降下通过管道的流体体积流量。考虑到管道流通面积固定（fe=1），则其上流量与压降间的关系为

由式（3-29）和式（3-30），并考虑到ΣΔp=Δp+ΣΔpe，可得

当调节阀全开时（f=l），其上压差为

因此

这样就得到调节阀上的压降、相对节流面积与S100之间的关系，即

最后，可以得到串联管系中调节阀相对流量为

式中，Q100为理想情况下ΣΔpe=0时阀全开时的流量。以代入式（3-34），可得以S100为参比值的调节阀工作流量特性，如图3-16所示。

对于线性结构特性调节阀，由于串联管道阻力的影响，线性的理想流量特性畸变成一组斜率越来越小的曲线，如图3-16（a）所示。随着S100的减小，流量特性将畸变为快开特性，以致开度到达50％～70％时，流量已接近全开时的数值。对于等百分比结构特性调节阀，情况相似，如图3-16（b）所示。随着S100的减小，流量特性将畸变为直线特性。

由此可见，阀门的实际流量特性，向着大开度时斜率下降的方向畸变，即直线阀的实际流量特性向着快开阀特性畸变；而等百分比阀的实际流量特性向着直线阀特性畸变。

在实际使用中，S100一般不希望低于0.3～0.5。S100很小，就意味着调节阀上的压降在整个管道系因压降中所占比重甚小，无足轻重，所以它在较大开度下调节流量的作用也就很不灵敏。一些老的生产设备，其工艺管道上的调节阀往往尺寸失之过大，这时就会出现上述问题。

（2）并联管系调节阀的工作流量特性

在实际使用中，调节阀一般都装有旁路阀，以备用作手动操作和维护调节阀。当因生产量提高或其他原因使介质流量不能满足工艺生产要求时，可以把旁路阀打开一些，以应生产所需。图3-17为调节阀与管道并联管工作情况。

令为并联管系中调节阀全开流量与总管最大流量之比，称为阀全开流量比。即

阀全开流量比是表征并联管系配管状况的一个重要参数。

显然，并联管路的总流量是调节阀流量与旁路流量之和，即

调节阀全开时（f=1），管路的总流量最大，有

这样，并联管道工作流量特性为

以代入式（3-38），可以得到在不同时，并联管道中调节阀的工作流量特性，如图3-18所示。

由图3-18可知，当=1时，旁路阀关闭，并联管道工作流量特性就是调节阀的理想流量特性。随着的减小，即旁路阀逐渐开大，尽管调节阀本身流量特性无变化，但管道系统的可控性却大大下降，这将使管系中可控的流量减小，严重时甚至会使并联管系中调节阀失去控制作用。

3.3.3　调节阀的可调比

调节阀的可调比是反映调节阀特性的一个重要参数，是选择调节阀是否合适的指标之一。

1．理想可调比

调节阀的理想可调比Ro是指在阀压降恒定的情况下，能控制的最大流量Q100与最小流量Q0之比，即

式中，Q0为阀压降在恒定情况下可控制流量的下限值，通常是Q100的2％～4％。它不同于阀的泄流量。泄流量则是由于阀不能真正关死造成的，一般为Q100的0.01％～0.1％，难以控制。

在调节阀压降恒定情况下，有

式中，C0为阀全关时的流量系数；C100为阀全开时的流量系数。

由式（3-24）可得C0=C100f0=C100(F0/F100)，代入式（3-40）中，则理想可调比为

式中，R即为调节阀的可调范围。

由此可见，调节阀的理想可调比Ro等于调节阀的可调范围R。从使用的角度来看，理想可调比越大越好。但由于最小节流面积F0受阀芯结构设计和加工的限制，不可能做得太小。

2．实际可调比

在实际使用中，调节阀前、后的压降是随管道阻力的变化而变化的。此时，调节阀实际控制的最大流量和最小流量之比被称为实际可调比。

（1）串联管系中的可调比

串联管系中管道阻力的存在会使调节阀的可调比变小。在串联管系中（阀阻比S100<1），调节阀的实际可调比为

式中，Qr100、Qr0分别为有管道阻力情况下阀全开、全关时的流量。

根据流量系数的定义可得

考虑到调节阀全关时，其上压降Δp0近似为管道系统中总压降ΣΔp，因此

图3-19所示为串联管系中调节阀的实际可调比与S100之间的关系。可见，串联管系中调节阀实际可调比降低，当阀阻比S100越小，即串联管道的阻力损失越大时，实际可调比越小。

（2）并联管系中的可调比

与串联管系情况相类似，并联管系中调节阀的实际可调比Rp可定义为

式中，Q0为调节阀所控制的最小流量；为并联管系的旁路流量；为总管最大流量。

同理，可推导出Rp的计算式如下

图3-20所示为并联管系中调节阀的实际可调比与之间的关系。由图可知，随阀全开流量比减小，急剧下降，因此打开旁路，调节阀的控制效果很差。实际使用时，一般要求>0.8。也就是说，旁路流量只占管道总流量的百分之十几。

实际使用的调节阀既有旁路又有串联设备，因此它的理想流量特性畸变，管道系统可调比下降更严重，调节阀甚至起不了调节作用。表3-4对调节阀在串、并联管系的工作情况做了比较。