自力式流量控制閥-自控設計中調節閥流量特性的選用問題-河北同力閥門

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公司生產的流量控制閥、壓差控制閥、全焊接球閥等產品被建設部定為工程建設推薦產品,先后被國家重點工程選用。2015年10月15日河北同力自控閥門制造有限公司(石家莊辦事處領導及技術人員)參加了此次會議,會議開展非常順利,參會設計院、暖通界內人士云集。此次《河北省暖通空調制冷學術年會》河北同力公司展出了2015年新產品鋼制焊接熱力入口裝置、平衡閥及焊接球閥;

自控設計中調節閥流量特性的選用問題

標簽:自力式流量控制閥
1 引言 
    調節閥作為過程控制的終端元件,已廣泛應用于生產過程中,其技術和使用條件也比較成熟,但由于生產中不確定因素多,對象的特性又多種多樣,使得調節閥的選用比較復雜,并且調節閥的性能指標如何又直接影響到過程控制的質量好壞,尤其是流量特性的確定。在此,就調節閥理想流量特性的選擇問題進行探討。
    2 調節閥的流量特性
    調節閥出廠時所標明的都是理想流量特性,是按閥兩端壓降固定不變的理想狀況來設計的,主要有圖1所示的直線型、對數型、拋物線型和快開型四種形式。圖中的I/L(%)表示相對開度對Q/Qmax(%)表示相對流量。
    但實際應用過程中,由于多種因素的影響,如管道內壁壓降、管件局部阻力壓降等的存在和變化,使得調節閥在不同開度下的壓降發生變化,理想的流量特性會畸變為工作流量特性。即使相同的調節閥,當應用于不同的管路系統中時,其工作特性一般也是不一樣的。通常用壓降比s來反映流量特性的畸變程度。
    式中:

    Δpv全開 表示調節閥全開時閥上的壓力降;
    Δpv總   表示包括調節閥在內的全部管路系統的總壓降。

    生產過程中,由于調節閥通常串聯在管路系統中,閥門開度的變化自然會引起流量的變化。根據流體力學原理,管道中流體壓力的損失與流速的平方成正比,因此,調節閥的開度一旦改變,流量就會變化,管路系統各處的壓力降也都相應地變化,其變化情況如圖2所示。

    由調節閥上壓差的變化量△Pvi、壓差△Pv、開度l/L及壓降比s的關系公式

   

    式中,Qmax表示管道壓力降等于零時調節閥的全開流量;

    Q表示調節閥在l/L開度的流量。
    從上式可以看出,調節閥的工作流量特性是受壓降比s直接影響的。在s=1時,管道阻力降為零,系統的總壓降全部降落在調節閥上,實際的工作流量特性與理想流量特性一致。但隨著管道阻力降的增加,s值變小,不僅調節閥全開時的流量減少,曲線下移,而且流量特性也發生了很大畸變,成為一系列向上拱的曲線,理想的直線特性畸變為快開工作特性,理想的對數特性畸變為直線工作特性,如圖3所示。
    3 調節用理想流量特性的選擇方法
    根據一般對象的特性,調節閥流量特性的選擇問題,實際上就是如何選擇直線型和對數型流量特性的問題。應首先根據工藝過程情況確定工作特性,然后根據工作特性和管路系統的配置等情況選擇合適的調節閥理想流量特性。
    3.1 確定調節閥的工作流量特性
    關于工作特性的確定,應滿足在整個調節過程中,對象特性的變化能通過調節閥的特性變化得到補償,使調節系統中廣義對象的特性盡可能穩定,保證調節質量。
    如果忽略對象動態特性的變化,則調節閥的工作特性確定應能使廣義對象總的放大系數為恒定值,即適當選擇閥的特性,以閥的放大系數的變化來補償對象放大系數的變化,從而保持廣義對象的靜特性呈線性。
    如果對象的動態特性不能忽略,則不僅要考慮放大系數的補償,還需要考慮動態特性的補償,也就是說,還要考慮用閥的放大系數的變化來補償系統動態特性的變化,以維持系統應有的穩定性。如對象的滯后、時間常數隨著負荷的增大而減小時,系統的穩定性就會降低,此時調節閥的放大系數應隨之變小才能使系統的穩定性得到恢復。
    實際應用過程中,主要是根據對象的靜態特性確定調節閥的工作特性。圖4示意的是不同負荷下的對象特性曲線。
    (1)當對象的工作點比較穩定、調節閥兩端的壓差也比較穩定時,閥門的開度基本上保持在一個固定的位置上,閥門的放大系數Kv變化不大,對象的放大系數Kv也變化不大,此種情況下,不論是線性特性還是對數特性都可以。
    (2)控制閥兩端的壓差是主要的干擾時,要確保工作點的穩定,則必須通過改變閥門開度來維持調節介質的流量穩定,并且Kv還不應發生變化。
    對于線性閥,它的流量特性方程是:
    k為常數。但由于閥門兩端的壓差是主要干擾,導致Qmax發生變化。因此,Kv也發生了變化。
    對于對數閥,流量特性方程是:
    k′為常數。由于調節介質的流量Q要求不變,雖然閥門的開度發生了變化,但Kv并沒有變化。因此,當閥兩端的壓差是主要干擾時,應該選用工作特性為對數型的閥門。
    (3)當用于隨動系統時,即給定值是主要作用時,應比較同一負荷但不同測量值z下的對象放大系數K0值,如圖4中的1、2、3點。如果K0值比較恒定,則選線性工作特性;如果K0值是隨調節介質流量的增加而下降的,則選對數工作特性。否則選快開特性。

表1 調節閥的工作流量特性確定表

調節系統

主要干擾

附加條件

工作特性

液位

入口調節

給定值

   

直線型

設備出口阻力

直線型

出口調節

給定值

   

對數型

設備出口流量

直線型

壓力

給定值

液體

對數型

檢測點在調節閥之前

對數型

管件及設備阻力

對數型

檢測點在調節閥之后

對數型

給定值

氣體

對數型

檢測點在調節閥之前

對數型

管件及設備阻力

對數型

檢測點在調節閥之后

開方根型

流量

給定值

有開方器

對數型

有開方器

調節閥壓差

有開方器

對數型

有開方器

溫度

給定值

   

直線型

調節閥壓差

對數型

調節介質的溫度

對數型

被閥介質的溫度

直線型

被調介質的流量

對數型

    (4)當用于定值系統,且負荷是主要干擾時,應比較在同一測量值z但是不同負荷下的對象放大系數K0值,如圖4中的1、4、5點。閥門特性的選擇如同上述隨動系統的情況一樣。
    由于實際情況復雜,影響因素多,調節閥選擇時應抓住主要矛盾,考慮最主要的外來作用。根據理論分析,結合實際生產經驗,總結出調節閥工作流量特性的選擇表1。
    3.2 依據配管情況和工作特性,推斷閥的理想流量特性
    當s=0.6-1.0時,理想流量特性的畸變尚不嚴重,此時,需要什么樣的工作特性就選擇什么樣的理想流量特性。
    當s=0.3-0.6時,理想特性有一定程度的畸變,線性的工作特性應選擇對數的理想特性;對數的工作特性則仍然選擇對數的理想特性。當s<0.3時,理想特性畸變嚴重,實際的調節閥工作特性對于保證調節性能已不合適。但可以通過以下方法進行處理:
    (1)修正閥芯曲面,使其理想特性曲線彎曲的更甚,以滿足低s值下對工作特性的要求。
    (2)采用串級控制系統,用一個流量調節的副回路代替單一的調節閥,只要將副回路整定得可以工作就可以。此時,閥的流量特性對于主被控變量的調節不再產生明顯的影響。
    實際工作過程中,在對系統的調節性能要求不是很高的情況下,也可以直接依據被控變量與過程狀態選擇調節閥的理想流量特性,如表2所示。

表2 調節用理想特性選用表

被控變量

工作狀態

理想特征

液位

PV穩定

線性型

PV(Qmax)<0.2PV(Qmin

對數型

PV(Qmax)>2PV(Qmin

快開型

壓力

快過程

對數型

慢過程

線性型

慢過程PV(Qmax)<0.2PV(Qmin

對數型

流量

線性變送器

設定值變化

線性型

負荷變化

對數型

非線性變送器

串接,設定值變化

線性型

串接,負荷變化

對數型

旁路連接

對數型

溫度

 

對數型

    4 特性選擇時應注意的問題
    (1)由于可供選擇的調節閥的理想流量特性的形式有限,因此,對象特性的變化很難達到完全補償,這時可以考慮通過閥門定位器的反饋凸輪進行改善。
    (2)對于操作參數不能準確確定的新設計工藝裝置,或調節閥的計算數據過于保守時,最好選用對數理想特性的調節閥。因為對數特性的閥門具有很強的適應性。
    (3)當調節閥經常工作在小開度時,應選用對數特性的閥;當調節閥的使用壽命是主要考慮的因素時,應選用理想特性為直線的調節閥。
    (4)有時,由于流體輸送機械的能力有限,調節閥必須工作在低s值下運行。
    (5)由于結構上的原因,閥門兩端的壓降不能超過一定的極限值,因為高壓差下的減壓閥很容易破損。這時往往允許加限流孔板,適當進行分壓,此時s值也必須降低。
    (6)近年來,節能問題越來越受到重視,減小s值有利于節約能耗。如對于高壓系統,考慮到節約動力,允許s=0.15。
    5 結束語
    調節閥的流量特性與生產中過程的狀態密切相關,合理地選用其理想特性,對于提高過程控制質量很有益。隨著控制技術和控制手段的不斷發展,調節閥特性受過程控制因素的影響可更多地通過在線整定和補償來克服,這一方面降低了對調節閥性能指標的要求,減小了選型的復雜程度,使調節閥更好地適應過程控制的要求;另一方面又降低了能耗,節約了能源,有利于提高經濟效益。

   

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