量身定制控制阀流量特性的设计

陈迎宪，龚飞鹰

(上海长成自控设备有限公司，200433 上海)

1 问题的提出

控制阀固有流量特性是制造商出厂时提供的。当控制阀在工业生产过程中使用时，由于存在压降比s，使固有流量特性发生了畸变，流量特性上凸，造成闭环控制系统的稳定性等指标变差。通常，只能根据所需工作流量特性，按经验法或根据压降比法选用合适的固有流量特性[1-2]。

根据控制系统稳定运行准则，是否可根据被控生产过程的数学模型，先确定其合适的控制阀工作流量特性，满足稳定性要求，提高控制系统的性能(例如，偏离度指标[3])；然后，根据所需控制阀工作流量特性和工况下的压降比设计控制阀的固有流量特性，以实现量身定制控制阀流量特性，满足应用要求。

笔者根据控制阀工作流量特性、固有流量特性和压降比的函数关系，设计了控制阀固有流量特性，进行预畸，使工作流量特性满足应用要求。

当前，随着对控制精度要求的不断提高，对控制阀的流量特性也提出了更高要求，本文讨论的方法对提高控制系统控制品质具有重要意义。为此，笔者对“量身定制”工作流量特性进行研究，并据此设计控制阀固有流量特性。

2 工作流量特性的设计

控制阀安装在现场后，其固有流量特性畸变成为工作流量特性，设固有流量特性用q=f(l)表示，工作流量特性用q=g(l)表示。其中，q——相对流量；l——相对行程；s——控制阀全开时两端压降与系统压降之比。因此，它们均为量纲一的量，变化范围是0～1。则考虑s后的工作流量特性可表示为

(1)

图1显示控制阀工作状况固有流量特性的畸变。可见，控制阀工作状况下固有流量特性发生变化，其特点如下：

1)s=1表示管道压降为零，工作流量特性与固有流量特性相同，即系统压降全部降落在控制阀两端时，工作流量特性不发生畸变。

2) 随s的减小，管道压降增加，控制阀两端压降减小，使控制阀全开时的最大流量下降，实际可调比下降。

3) 随s的减小，工作流量特性与固有流量特性之间的差异变大，工作流量特性上凸，s越小，上凸越严重，流量特性的畸变使原有控制系统的总开环增益变化，会严重影响系统控制品质。

为此，常用的方法是根据所需工作流量特性确定控制阀固有流量特性。解决固有流量特性畸变的设计思路是根据压降比设计控制阀固有流量特性。其设计依据： 根据节能要求，在工艺设计时，通常以压降比为0.3～0.5设计管路和选用供能设备[4-5]；控制阀阀瓣的设计依据是流量特性函数，只要有所需的流量特性函数关系，就可设计阀瓣[6-9]；数控机床等加工设备的广泛应用使复杂函数关系的阀瓣设计变得容易。

因此，能否根据s的要求，设计所需工作流量特性是关键问题[10]。

图1 控制阀工作状况下流量特性的畸变

f(l)与g(l)的关系如式(2)所示：

(2)

根据式(2)，可确定不同可调比R下，为达到线性或对数工作流量特性时控制阀的固有流量特性。表1是根据不同压降比下为达到线性工作流量特性时控制阀的固有流量特性值；图2是为达到线性工作流量特性应采用的控制阀固有流量特性曲线；图3是为达到等百分比工作流量特性应采用的控制阀固有流量特性曲线。表2是等百分比工作流量特性时的控制阀固有流量特性数据。

表1 线性工作流量特性时控制阀固有流量特性数据(R=30)

图2 线性工作特性控制阀所需固有流量特性

图3 等百分比工作特性控制阀所需固有流量特性

表2 等百分比工作流量特性时控制阀固有流量特性数据(R=30)

3 按工作流量特性设计控制阀的效果分析

按上述设计方法，可绘制不同s下的实际流量特性。图4是按s=0.4设计的线性流量特性的控制阀，并用于不同s时的流量特性，可见在s=0.4时是标准线性流量特性。同样，图5是按s=0.4设计的对数流量特性的控制阀，并用于不同s时的流量特性，在s=0.4时是标准的等百分比流量特性。

图4 线性工作特性控制阀实际流量特性

图5 对数工作特性控制阀实际流量特性

与图1比较，可以发现，按s=0.4设计的控制阀线性工作流量特性和对数流量特性，在其他s值下，其曲线的畸变明显减小。在s=0.4时能够获得标准的线性工作流量特性和标准的对数流量特性，满足应用要求。由于特性曲线的畸变减小，使控制系统开环增益的变化减小。因此，明显改善了控制系统稳定性，控制系统的偏离度得到改善。

4 控制阀工作流量特性的确定

控制阀工作流量特性与被控生产过程特性有关。下面以换热器生产过程为例，说明如何确定控制阀的工作流量特性[2]。

如图6所示的单程、逆流、列管式换热器，换热器两侧没有发生相变，列出热量衡算式为

qm2c2(T2i-T2o)=qm1c1(T1o-T1i)

(3)

式中：T——流体温度；qm——相应流体的质量流量，kg/h；c——相应流体的比热容，kcal/(kg·℃)；下标： 1——冷流体参数；2——载热体参数；i——该流体进入传热设备的参数；o——该流体离开传热设备的参数。

图6 换热器换热原理示意

换热器的传热速率方程式可表示为

v=UAmΔTm

(4)

式中：U——传热系数；Am——传热面积；ΔTm——平均温度差，对单程、逆流换热器，采用对数平均值，即：

(5)

换热器的静态特性基本方程可表示为

(6)

因此，载热体流量qm2到出口温度T1o通道增益可表示为

(7)

图7显示该环节的增益曲线。从图7可见，K>0，即载热体流量增大时，出口温度增大。换热器生产过程是一个具有饱和非线性特性的过程，实际应用中，可根据图7确定控制阀的工作流量特性。图8是所需工作流量特性曲线，由于设计换热器时，当加热量不足时，会增大传热面积，因而，对进入饱和区有一定限制。图8中还画出了等百分比流量特性曲线，可见两者的特性十分接近，通常在20%以下，等百分比流量特性的数值要大些(R=30时的最大偏差为3.333%)。

图7 换热器的特性

图8 控制阀工作流量特性示意

需注意，上述设计是根据qm1c1=UAm确定的。可见选择等百分比流量特性是正确的。当设计的换热器进入饱和区的区域较大时，计算得到的控制阀工作流量特性会有较大差别，但曲线的形状仍相接近。

因此，如果控制阀的工作流量特性是等百分比流量特性，就可以很好地补偿被控对象的非线性，大幅提高控制系统稳定性，明显改善控制系统的偏离度[3，11-12]。

5 结束语

考虑到工艺管路设计，通常以压降比s为0.3～0.5为设计依据，因此，用s=0.3时线性和等百分比工作流量特性作为依据，设计控制阀固有流量特性，可以获得很好的控制效果。这种“量身定制”的设计方法，还可以根据实际应用的压降比和被控对象的静态特性确定所需工作流量特性，并设计合适的控制阀固有流量特性，为控制阀的应用提供精确控制。

实际应用中，以压降比s为0.3～0.4为设计依据，可提供具有更优良工作流量特性的控制阀，因此，是提高控制阀控制品质的有效途径。

参考文献：

[1]何衍庆，邱宣振，杨洁，等.控制阀工程设计与应用[M].北京： 化学工业出版社，2005.

[2]何衍庆，黎冰，黄海燕.工业生产过程控制[M].2版.北京： 化学工业出版社，2009.

[3]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册(上)[M].4版.北京： 化学工业出版社，2009.

[4]邱宣振.工程自动化设计应用手册[M].北京： 国际科教文出版社，2004.

[5]吴国熙.调节阀使用与维修[M].北京： 化学工业出版社，1999.

[6]陆培文.调节阀实用技术[M].北京： 机械工业出版社，2006.

[7]陆培文，高凤琴.阀门设计计算手册[M].2版.北京： 中国标准出版社，2009.

[8]陈兵.等百分比流量特性调节阀阀瓣型线的研究[D].兰州： 甘肃工业大学硕士学位论文，1999.

[9]张玉润，祝和云，金建祥.低压降比调节阀与节能[M].北京： 化学工业出版社，1994.

[10]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 17213-2—2005工业过程控制阀第2-1部分： 流通能力 安装条件下流体流量的计算公式[S].北京： 化学工业出版社，2005.

[11]NESBITT B.阀门和驱动装置技术手册[M].张清双，尹玉杰，李树勋，译.北京： 化学工业出版社，2010.