调节阀的计算与选型 在过程控制系统中，调节阀接受控制信号，自动控制阀门的开度，调节流体的流量，从而达到控制介质的流量、压力、温度、液位等。 在选择调节阀时，应根据介质参数（压力、温度）、流量、介质特性和调节阀的作用，并了解调节阀的基本结构、特点，才能正确选择调节阀。 调节阀的组成部分：调节阀主要由阀体、执行机构和附件三部分组成。 1 、阀体组件：
调节阀的计算与选型
在过程控制系统中，调节阀接受控制信号，自动控制阀门的开度，调节流体的流量，从而达到控制介质的流量、压力、温度、液位等。
在选择调节阀时，应根据介质参数（压力、温度）、流量、介质特性和调节阀的作用，并了解调节阀的基本结构、特点，才能正确选择调节阀。
调节阀的组成部分：调节阀主要由阀体、执行机构和附件三部分组成。
1 、阀体组件：
阀体组件需具有以下要素：结构型式、公称通径、公称压力、与管道连接型式、适用温度范围、阀体和内件的材质、阀座直径或额定流通系数、流量特性、阀座泄漏等级等。
2 、执行机构：执行机构通常分为气动和电动。
a 、气动执行机构又分薄膜式和气缸活塞式。
气动薄膜式执行机构是直接与阀杆连接的执行机构。气源压力一般为0.14～0.4MPa。
气缸活塞式分为横式和竖式两种，每种又分有弹簧式（单作用）和无弹簧式（双作用）两种；该执行机构主要用于角行程输出推力大，定位精度要求高的场合。气源压力最高达0.7MPa。
b 、电动执行机构分为直行程和角行程执行机构。
它们需具有以下要素：根据允许压差所需的推力而确定的某一型号执行机构的号数以及弹簧范围和供气压力、行程、依据阀在失气时的位置而确定的作用形式。
3 、调节阀附件
调节阀附件主要有阀门定位器、空气过滤减压器、位置信号发生器（阀位传送器、行程开关）、手轮机构、电磁换向气阀、加速器以及气源保护装置，等等，视系统需要确定。
专业常用的调节阀：
根据执行机构：电动调节阀、气动调节阀。
根据阀门结构：直通双座调节阀、直通单座调节阀、套筒型调节阀、角型调节阀、蝶阀、偏心旋转调节阀、迷宫式调节阀、二位（on/off）调节阀、多级调节阀等。
调节阀的术语：
1 、行程：为改变流体的流量，阀内组件从关闭位置标起的线位移或角位移。
2 、额度行程：也称额度开度，规定全开位置的行程。
3 、相对行程：也称相对开度，某给定开度的行程与额度行程的比值。
4 、额度容量：在规定试验压力条件下，试验流体通过调节阀额度开度时的流量。
5 、流量系数Kv或Cv：
Kv ，我国的流量系数。定义：在调节阀某给定行程，阀两端压差为100kPa，介质密度１t/m 3 时，流过调节阀的每小时立方米数。
Cv ，英制单位的流量系数。定义：在调节阀某给定行程，阀两端压差为1lb/in 2 ，温度为60华氏度（F）（15.6℃）的水，介质密度8.334lb/USgal时，流过调节阀的每分钟美加仑数。
Kv 与Cv的关系：Cv＝1.16Kv
6 、额度流量系数Kvmax或Cvmax：在全开状态时的流量系数。
7 、基本误差：调节阀是实际上升、下降特性曲线与规定的特性曲线之间的最大偏差。用额度行程的百分比表示。
8 、回差：同一输入信号上升和下降的两相应行程值间的最大差值。用额度行程的百分比表示。
9 、死区：输入信号正、反方向的变化不致引起阀杆行程有任何可觉察变化的有限区间。用输入信号量程的百分比表示。
10 、额度行程偏差：实际到达全开位置上的行程与规定全开位置行程之间的偏差。用额度行程的百分比表示。
项目 |
电动调节阀 |
气动调节阀 |
基本误差 ％ |
≤±2.5 |
≤±2 |
回差 ％ |
≤1.5 |
≤2.0 |
死区 ％ |
≤3.0 |
≤0.8 |
额度行程偏差 ％ |
≤2.0 |
≤2.5 |
11 、泄漏量：在规定试验条件下，试验流体通过调节阀处于关闭位置时的流量。
美国ANSI B16.104调节阀的阀座泄漏量标准
调节阀招标书一般要求：
阀门具有密封好，泄漏小及阀杆不平衡力小等特点。常闭调节阀泄漏等级不小于ANSI B16.104—Ⅴ级标准，常开调节阀泄漏等级不小于ANSI B16.104—Ⅳ级标准。
级别 |
最大允许泄漏量 |
试验介质 |
介质压力和温度 |
|||
Ⅱ 级 |
0.5% 额定通流能力 |
空气或水 |
工作压差Δ P 或 50lb/in 2 （ 3.5 巴） ， 取较小的一个值 , 温度 10-52 ℃ 。 |
|||
Ⅲ 级 |
0.1% 额定通流能力 |
空气或水 |
同上 |
|||
Ⅳ 级 |
0.01% 额定通流能力 |
空气或水 |
同上 |
|||
Ⅴ 级 |
5×10-12m 3 / 秒 / 巴（压差） /mm （阀座直径） （公制） |
水 |
工作压差Δ P ， 温度 10-52 ℃ 。 |
|||
Ⅵ 级 |
阀座直径 |
气泡数 / 分 |
ml/min |
空气 或氮气 |
工作压差ΔP或50lb/in 2 （3.5巴），取较小的一个值，温度10-52 ℃ 。 |
|
in |
mm |
|||||
1” |
25 |
1 |
0.15 |
|||
1.5” |
38 |
2 |
0.3 |
|||
2” |
51 |
3 |
0.45 |
|||
2.5” |
64 |
4 |
0.6 |
|||
3” |
76 |
6 |
0.9 |
|||
4” |
102 |
27 |
1.7 |
|||
6” |
152 |
27 |
4 |
|||
8” |
203 |
45 |
6.75 |
|||
12 、正作用式：当信号压力增大时，推杆向下动作。
13 、反作用式：当信号压力增大时，推杆向上动作。
14 、流开流向：也称为流开式，流体流动促使阀芯打开。
15 、流闭流向：也称为流关式，流体流动促使阀芯关闭。
16 、压降分配比S：调节阀全开时阀前后压差之比。
S ＝△P全开/△P总
全开时通过的流量最大，阀前后压差最小。
S ＝△P全开/△P总＝ △Pmin/△P总
S 值越小，实际可调比RT也越小。为了保证调节阀有一定锻可调比，调节阀超压差应在管路系统中占有一定比例，S宜在0.3～0.6之间。
17 、可调比R0：调节阀能够控制的最大流量Qmax与最小流量Qmin之比。
R0 ＝ Qmax/Qmin
18 、固有可调比R：在调节阀前后压差为定值的条件下的可调比。它是反映调节阀特性的一个重要参数，也是调节阀选择是否合理的指标之一。R实质上反映调节阀调节能力的大小。从控制的角度看，R越大越好，但受阀芯结构好加工工艺的限制，最小流量系数不能太小，一般调节阀的R为30。
R ＝ Kvmax/Kvmin＝Cvmax/Cvmin 。
19 、实际可调比RT：实际使用中，当调节阀上压差随串联管道阻力改变时，调节阀的可调比会发生变化，此时的可调比为实际可调比。
20 、液体阻塞流压差△Ps：当调节阀两端的压差△P增大时，流量Q也增加，当压差△P增大到一定值时，调节阀缩口处的压力Pvc下降到流体饱和压力Pv以下，一部分流体汽化，阀门流量不再随压差增加而增加，形成阻塞流工况。此时，调节阀两端的压差为阻塞流压差△Ps。
21 、液体压力恢复系数FL：在阻塞流条件下，实际最大流量与理论的非阻塞流的流量之比。
22 、流量特性：介质流过阀门的相对流量与相对行程之间的关系。
23 、固有流量特性：假定阀门前后压差为定值，得出的介质流过阀门的相对流量与相对行程之间定关系。
我们调节阀招标书上的流量特性的快开、直线、等百分比和抛物线均指的是固有流量特性。
24 、工作流量特性：在实际运行中，调节阀前后压差是随流量变化的，这时相对流量与相对行程之间的关系称为工作流量特性。
调节阀的选择原则：
1 、液体介质调节阀空化现象的判断与防护
a 、什么是空化现象？
b 、空化现象的危害。闪蒸与汽蚀
c 、当阀两端压差△P大于最大允许压差△Pc时，就会发生闪蒸和汽蚀，即△P＞△Pc。
△Pc=Kc （P1－Pv）
式中，△Pc——初始闪蒸压差
P1—— 调阀入口压力
Pv—— 调阀入口液体饱和蒸汽压力
Kc—— 初始闪蒸系数（阀门厂通过试验获得）
d 、阻塞流压差△Ps
△Ps＝FL 2 （P1－F F Pv）
F F 值在阀全开时测得。与阀芯形状、阀体结构、阀内液体流向有关。F F 值越大的阀，允许承受的压差越大，抗闪蒸、汽蚀能力也越强。
式中，FL……液体压力恢复系数（阀门厂通过试验获得）
F F …… 临界压力比系数
Pc…… 热力学临界压力（对于水Pc＝225bar）
▲当调节阀两端压差△P≥△Ps 时，且P2≤Pv，闪蒸现象加剧严重，但不产生汽蚀现象。
▲当调节阀两端压差△P≥△Ps 时，且P2 ≥ Pv，产生汽蚀现象。
e 、调节阀管路系统中防护闪蒸与汽蚀的方法
闪蒸工况阀门和汽蚀工况阀门的选型是有所区别的：
▲闪蒸工况阀门选型
△闪蒸生产的原因是P2＜Pv，P2是下游过程和管道的函数，Pv是流体和工作温度的函数。因此，闪蒸的变量不是直接由阀门控制的，也就是说对任何阀门都无法防止闪蒸，最好的办法是选择采用合适的几何形状和材料的阀门来避免或尽量减小破坏。例如，选择大口径阀门，降低冲刷性流体的速度；阀座、阀芯等表面尽可能硬化，提高抗冲刷能力；选择流体方向尽可能改变少的阀门，使冲击数量减到最小。
▲汽蚀工况阀门选型
△控制压降来消除汽蚀从而防止破坏。采用多级降压内件，把通过阀门的压降分成数个较小的压降，每个较小的压降都确保其缩径处的压力大于Pv。
▲汽蚀工况阀门选型
△改变调节阀布置位置，在阀前后实际压差不变的情况下，以提高P1或P2。将阀门移至下游有较高静压头的位置。
△ 分配压降。可用两个调节阀串联；也可以在调节阀后加一个或多个节流孔板来逐级减压。该方法导致阀压降分配比S降低，使得阀容量降低，流量调节范围变窄及流量特性畸变。（这些方法一般用于系统改造中，新建工程建议少用）
采用调节阀后加节流孔板的具体方法：
? 计算调节阀阻塞流压差△Ps，考虑20％的安全系数，那么调节阀两端压差△P 阀 = △Ps-△Ps×20％。
? 确定孔板级数。第n级孔板减压为△P 阀 /2n。
? 计算各孔板第孔径。
▲汽蚀工况阀门选型
△材料选择。阀座、阀芯材料要求较阀体硬度更高、韧性更好的材料；阀杆一般选用不锈钢。
2 、阀门材料
调节阀的材料主要指两个方面：阀体和阀盖的材料、阀内件（阀座、阀芯、阀杆等）的材料。
a 、阀体的材料通常以流动介质的压力、温度、腐蚀性阀冲刷性为依据，一般应等同或优于接管材料。阀盖的材料基本与阀体材料一致。
b 、阀内组件主要起节流作用，其材料要求耐腐蚀，耐冲刷。
调节阀常用材料对照表见下与页
调节阀常用材料对照表
材料名称 |
ASTM |
中国 |
其它 |
适用温度范围 ℃ |
|
碳钢(铸) |
WCB |
ZG25 |
－5～425 |
||
碳钢(铸) |
WCC |
－5～427 |
|||
铬钼钢(铸) |
WC5 |
||||
铬钼钢(铸) |
WC6 |
ZG20CrMoV |
≤550 |
||
铬钼钢(铸) |
WC9 |
≤593 |
|||
不锈钢(铸) |
CF3 |
304L |
|||
不锈钢(铸) |
CF8 |
304 |
ZG0Cr18Ni9 |
||
不锈钢(铸) |
CF3M |
316L |
|||
不锈钢(铸) |
CF8M |
316 |
ZG0Cr18Ni12MoTi |
－198～816 |
|
不锈钢(铸) |
CG8M |
317 |
ZGCr18Ni12Mo2Ti |
||
铬钼钒(锻) |
C12A |
F91 |
3 、调节阀密封材料
4 、调节阀的流量特性
调节阀的流量特性有固有流量特性和工作流量特性。改变阀芯与阀座之间的节流面积，就可实现流量调节，但在节流面积改变的同时，还会引起阀前后压差的变化，而压差的变化会引起流量的变化，流量特性也会受到影响。为了便于分析，假定阀前后压差为定值，就得出能固有流量特性。
典型的固有流量特性有快开、直线、抛物线和等百分比四种。
下面就四种固有流量特性分别加以说明：
a、 固有快开流量特性
调节阀的行程最小时，流量变化最大，随着行程定增大，流量变化逐级减小,流量很快接近最大值，当接近全开位置时，流量变化趋于零。
相对流量Q/Qmax与相对开度L/Lmax当函数关系见下式。
这种流量特性的调节阀主要用于二位式调节。
b 、固有直线流量特性：调节阀的单位行程变化所引起的流量变化相等，曲线的斜率是一个定值。在恒定的压差下，阀门增益在所有流量处都相同。主要用于液位调节。
相对流量Q/Qmax与相对开度L/Lmax当函数关系见下式。
下列情况，一般选该特性：
▲压差△P变化小，几乎恒定；
▲整个系统的压力损失大部分分配在阀上；
▲外部干扰小，给定值变化小，可调范围小的场合；
▲工艺流程的主要参数变化呈线性。
a、 固有抛物线流量特性
该特性介于直线和等百分比流量特性之间。这种阀用得比较少，不作具体介绍。
相对流量Q/Qmax与相对开度L/Lmax当函数关系见下式。
a、 固有等百分比流量特性
曲线斜率随行程的增大而增大。在同样的行程变化下，流量小时，流量变化小，流量大时，流量变化大。小开度时，斜率小，调节平稳缓和；大开度时，斜率大，调节灵敏有效。应有范围广，电厂中大部分调节阀是该特性。
相对流量Q/Qmax与相对开度L/Lmax当函数关系见下式。
下列情况，一般选该特性：
▲要求的的可调比；
▲管道压力损失大；
▲开度变化大，阀上压差变化相对较大。
实际上，在工艺管道系统中，除调节阀外，有其它设备及管道阻力，调节阀前后压差是变化的。当系统两端总压差一定时，随着通过管道流量的增大，管道的阻力损失也增大，使调节阀上压差减小，引起流量特性变化，理想流量特性变成实际工作流量特性。
对于理想的流量特性的等百分比等调节阀，在不同等S值下，工作流量特性如图，从图中可看出：
▲S＝1时，即管道阻力损失为零，系统等总压差全部落在调节阀上，工作特性与理想特性一致。
▲ 随着S减小，即管道阻力损失增加，使系统的总压降落在管道上的压降增加，调节阀全开的流量减小，可调比缩小。
▲ 随着S减小，流量特性曲线发生畸变，理想等百分比趋于直线特性。造成小开度时调节不稳定，大开度时调节迟钝，严重影响自动调节系统大调节质量。因此，在实际使用中，一般希望S不低于0.3。
工作流量特性可参照下表选用：
如果存在几个干扰，则根据经常起作用等主要干扰选择。
根据系统特点选择工作流量特性后，再结合系统等工艺情况选择相应的固有流量特性。
固有流量特性选择表
压降分配比 |
S≥0.6 |
S≤0.6 |
||||
实际工作特性 |
快开 |
直线 |
等百分比 |
快开 |
直线 |
等百分比 |
所选固有特性 |
快开 |
直线 |
等百分比 |
快开 |
等百分比 |
等百分比 |
5、调节阀前后参数的确定
a 、压差△P的确定
计算压差时，从两个方面考虑：一方面，要使调节准确，阀两端必须有一定的压差，为了使流量特性不发生畸变，应使阀上的压差占整个系统中总阻力损失比值越大越好；另一方面，从经济性考虑，阀大压差尽可能小，可以选择较小扬程大泵，以减少动能损失。这两方面应综合考虑。
计算压差的步骤：
▲选择调节阀前后最接近的两个压力基本稳定的装置或设备作为系统计算范围。
▲按照最大工况流量，计算系统中除调节阀外的各局部阻力而引起压力损失的总和∑△P f （即管道、弯头、三通、节流装置、热交换器、阀门等压损之和），但不含设备间但位差含静压差。
∑△P f ＝△P f 1+△P f 2+……+△P f n，∑△P f ＝ζtγ（V 2 /2g）
计算压差的步骤：
▲若管路系统中介质的动力源由调节阀两端压差确定后再确定，则按系统具体情况和调节要求选定S值，范围0.3～0.6。
对于系统设备中背压有波动的场合，考虑背压波动对阀压差的影响，从而使S变化，此时，计算压差时还应增加系统背压的5～10％。
计算压差的步骤：
▲若管路系统中动力源总扬程已确定，则调节阀前后压差为：△P=H－(P后－p前)－Σ△Pf－PH
计算管路中无动力源时，系统的总压差只与系统的起始压力后终点压力有关：△P＝△P总－ Σ△Pf
若S＜0.3，则不满足调节性能的要求，需从动力源、管道布置作进一步改进，直到S≥0.3。
b 、计算流量Qmax的确定
Kv 或Cv值计算中所需的流量（后面将讲到 Kv和Cv值计算）应是系统工作的最大流量Qmax。如必须考虑流量裕度时，阀径可选得稍大一点，但正常流量时开度不小于40～60％；对分期建设对工程，不能以最终规模的流量作为计算流量。特别注意的是，定压运行的除氧器的压力调节阀的最大流量，应以半负荷左右切换点前点抽汽量为准。
6 ．噪音的控制
除了可压缩流体在一定条件下会产生较大的噪音，不可压缩流体在一定条件下也会产生较大噪音。
当阀两端压差较大时（达到几个MPa），就要进行噪音的控制，并在招标书应明确要求。
▲ 采用降低流体动力噪音的阀内件；
▲ 对于高压差比（△P/P1＞0.8）的应用场合，利用串联限流方法，在调节阀后加装在线扩散器或消声器。Fisher采用此方法。
▲ 采用厚壁管。
调节阀的选型步骤：
1 、确定工况条件
a 、P1、△P、Q、T1，流体特性，允许噪音等；
b 、选择阀体和阀内件要求的合适的压力等级。
2 、调节仪表条件：流量特性、作用形式、调节仪表输出信号、位置反馈信号等。
3 、管道连接条件：公称压力、连接型式、管道尺寸、材质等。
4 、计算初始Cv值：检查汽蚀和噪音水平。
5 、选择阀体、阀内件尺寸。
a 、根据要求的Cv值，选择阀体和阀内件尺寸；
b 、注意行程、阀内件组别和关闭等级。
6 、选择阀体、阀内件材料。
7 、选择阀内件类型。
a 、如果没有噪音或汽蚀，选择标准阀内件；
b 、如果噪音很高，选择降噪阀内件；
c 、如果噪音很高，并有汽蚀，选择特殊阀内件。
8 、综合工艺等条件确定执行机构的型式。
9 、确定调节阀附件。
10 、填写选型表或规格。
调节阀的选型计算：
1 、Kv、Cv的计算
根据伯努利方程可以得出：
则流量系数Kv：
同样的方法，可以得出Cv＝1.16Kv
▲上面的计算式推导是有条件的：流体不可压缩、流动稳定、紊流、不发生相变。
但实际应用范围远远超过上述范围，下面就常见的工况给出不同的计算式。
a 、液体
一般的液体的Kv采用右式计算：
高粘度液体应对右式进行修正，这里不讲。
b 、气体
c 、饱和蒸汽
当△P＜0.5F L 2 P1：
式中G——蒸汽流量（t/h）
当△P≥0.5FL 2 P1：
d 、过热蒸汽
当△P＜0.5F L 2 P1：
式中tsh——蒸汽过热度（℃）
当△P≥0.5F L 2 P1：
2 、额度流量系数的确定
根据计算得出的Kv和选定的调节阀型式在该阀型的流量系数标准系列中，选择适当的Kvmax，条件是：40%≤Kv/Kvmax≤85%
在选择Kvmax时，应尽量Kv/Kvmax≤85%
3 、可调比验算
Kvmax 选定后，需验算调节阀的实际可调比RT，按下式计算：
RT≥3 即满足要求。式中压降分配比S见下式：
S≥0.3 时，可不进行可调比验算。
4 、开度验算
根据Kv、Kvmax和流量特性，验证调节阀的开度。一般要求最大流量时阀开度不超过90%。可按下式计算：
固有直线流量特性调节阀：
固有等百分比流量特性调节阀：
本文来源于互联网，作者：李学军。暖通南社整理编辑于2020年11月11日。
