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自控設計中調節閥流量特性的選用問題

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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。


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