1、前言

      在过程控制系统的设计阶段，正确选用调节阀的流量特性（以下简称选用），是一个必须要解决的技术问题，对提高系统的调节品质起事半功倍的作用。

      从现有文献看，理论选用方法尚在研究探索之中，设计中大都采用经验准则解决选用问题。然而各种文献给出的经验准则并非全都一致，有些经验准则对适用范围交待不清。例如常见的换热器出口温度控制系统，有相变传热与无相变传热的选用结论不全相同。若不明白选用理论，机械地套用经验准则，有可能会导致选用失误。因此，对选用的理论、及方法进行研究很有必要。

图1 单回路反馈控制系统组成方块图

     由图1可知，当调节器已整定，则Kc为常量，选用的理论依据为

     K_o = K_v*K_p*K_m≈常量           （1）

     式中：K_o、K_v、K_m—分别为系统广义对象、调节阀、被控对象、检测变送器的放大系数。

     从选用角度分析式（1）：

    （1）选用的目的是以K_v补偿K_p、K_m，对K_o作非线性校正。若系统运行中无干扰施入，即K_p、K_m的工作点不变，则不需作非线性校正，选用任何一种流量特性调节阀都能符合式（1）要求。所以，无干扰就不存在选用问题，研究选用的理论与方法，必须联系干扰因素来了解其适用性。

     （2）选用的过程是根据系统主要干扰作用下的K_p、K_m变化规律，选定符合式（1）要求的，在该干扰作用下的K_v变化规律。由于K_m的变化规律决定于检测、变送器整机输出入信号之间的固有函数关系，与干扰因素无关。因此，解决选用的关键，在于对系统主要干扰作用下的K_v、K_p变化规律的求取与了解。

     （3）从现有的各种理论选用方法看，实质上都是采用定性分析的方法，来解决选用问题。所以对选用有实用意义的是了解常用的线性、对数，快开流量特性调节阀在各种干扰作用下所反映的K_v变化规律，以用作选用依据；了解常用的各种理论选用方法，求取干扰作用下K_p变化规律的可行性与适用性，这将对设计人员选择选用的方法，具有指导意义。

     根据以上分析，文献通常给出的关于选用的论述，存在的问题主要表现为：对调节阀流量特性、K_v的论述，偏重一种形式，从选用角度看，有值得商榷之处；只给出理想工况（即阀前阀后压降ΔP_v为恒值）下的各阀K_v变化规律，用于选用，对干扰的适用范围不清；没有联系干扰因素来论证求取K_v变化规律的可行性，以及对选用方法的适用性。因此，对选用缺乏实用意义，需加以修正与补充。

     本文旨在解决上述问题，下文将探讨文献对阀流量特性、K_v的论述；从讨论阀流量特性与K_v的四种表达形式着手，以推导所得的用变量Q/Q_max、Q、C/C_max或C所表征的各阀四种K_v表达式为依据，根据分析给出的有关变量在干扰作用下的状态，给出线性、对数、快开流量特性调节阀在干扰作用下所呈现的K_v变化规律，以及对选用的适用范围；论证求取干扰作用下K_p变化规律的可行性，及对选用方法的适用性。

      2、探讨文献对阀流量特性、K_v的论述

      2.1 分析有关变量在干扰作用下的状态

     为方便下文的讨论，需先了解有关变量在干扰作用下的状态。某一开度或全开时阀的流量方程分别为：

                                   （2）

                          （3）

     式中：
      g—重力加速度，是恒值；
      ρ—密度，不可压缩流体p为恒值；
      C—阀的流通能力；
        C_max—已确定通径调节阀的最大流通能力，实质上即为根据工艺参数计算所得的系统最大流量下的C值，在阀的标准产品系列中经设计人员合理圆整、选定的阀公称流通能力C_g，C_g为恒值，即C_max为恒值。

      无论用经验准则、或是理论方法选用，通常都是在众多干扰中，确定一个出现最频，对被控变量y影响最大的干扰，作为系统主要干扰变量来考虑选用，其它次要干扰则均视为常量。

      干扰形式众多，一般可等效视为广义的负荷（即非Δp_v干扰）或Δp_v干扰两种类型。
由此，依据式（2）、（3）可知：

      （1）定值系统负荷为主要干扰，Δp_v等次要干扰可视为常量；Q_max为常量；C_max为恒值；Q，C为变量。

      （2）定值系统Δp_v为主要干扰，负荷等次要干扰可视为常量；Δp_v为变量；C_max为恒值；由式（3）知，Q_max∝Δp_v，即Q_max为变量；Q的状态可作如下分析，因给定值X为恒值，由工艺操作的物料或能量平衡原理，以及系统的调节过程可知，Δp_v干扰施入之初引起Q的变化，会很快被系统的调节作用改变阀的开度所克服，系统稳态时Q仍为Δp_v干扰施入前的流量值不变，所以Q仍可视为常量；C随阀的开度而变，所以C为变量。

      以上结论，下文讨论中作为已知条件引用。

      2.2、探讨文献通常采用的论述形式

      对阀的流量特性，通常都以流体流过阀的相对流量Q/Q_max与阀杆相对行程L/L_max之间的函数关系定义。定义式为

      Q/Q_max=f（L/L_max）      （4）

      对各阀流量特性、K_v的论述可归纳如表1所述。

表 1 

 

名称	流量特性表达式	Kv变化规律
线性阀		K—常数，即调节阀放大系数
对数阀		Kv∝Q，由小到大变化
快开阀		Kv∝1/Q,由大到小变化

 

表中K为比例常数，线性阀K=1-1/R，对数阀K=InR，快开阀K=（1-1/R2）/2；R为阀的理想可调范围，R=Q_max/Q_min=C_max/C_min=30。

     文献所称的各阀理想流量特性曲线见图2。

1：快开；2：直线；3：对数
图2理想流量特性

      结合图2分析文献对阀流量特性的定义，是用Q/Q_max与L/L_max两个相对无因次变量之间的函数关系来表征，实质上是表征阀的相对流量特性。所以（4）式应确切地称为阀的相对流量特性定义式；图2应确切地称为各阀的理想相对流量特性曲线图；在图2曲线上的各点作切线，其斜率的变化反映了以Q/Q_max表征的各阀相对放大系数（记为K'_VQ）的变化规律；切线的数学式，即为阀相对放大系数的定义式

      K'_VQ =d（Q/Q_max）/d（L/L_max）   （5）

      因而表1中的流量特性表达式，应确切地称为调节阀相对流量特性表达式。由式（5）可知，即为各阀的K'_VQ表达式（见表2），反映了理想工况下，以Q/Q_max表征的各阀K'_VQ变化规律，由式（3）知，理想工况下Q_max为常量，由此方可把各阀的K'_VQ变化规律表达为如表1所述，以有因次变量Q所表征的各阀放大系数K，变化规律的形式。所以，表1给出的Kv变化规律的形式。所以，表1给出的K，变化规律，实质上出自各阀的K'_VQ变化规律，其成立条件为理想工况。

      因此，表1给出的各阀K_v变化规律用于选用，适用范围不清，需明确对干扰的适用范围。

      （1）定值系统负荷为主要干扰：已知Δp_v，Q_max可视为常量，与以上分析给出的各阀K'_VQ或K_V变化规律的成立条件相同，可适用于选用。

      （2）定值系统Δp_v为主要干扰；已知Δp_v、Q_max为变量，与各阀K'_VQ或K_V变化规律的成立条件不符，图2也不成立，所以不能适用于选用。

       由此，从选用角度看表1，应如表2所示。

表 2

 

名称	K'VQ表达式	负荷干扰下K'VQ变化规律	负荷干扰下Kv变化规律
线性阀	K'VQ=K	K'VQ为常数，与变化无关	Kv为常数，与Q变化无关
对数阀		，由小到大变化	Kv∝Q，由小到大变化
快开阀		，由大到小变化	，由大到小变化

 

摘自互联网