克服控制阀内件的选择困难

可以为控制阀指定不同的流量特性，选择合适的控制阀对阀的性能至关重要。

摘自piprocessinstrumentation.com，Gordon翻译

指定正确的控制阀可能是一项艰巨的任务。尽管可以使用配置助手程序来执行尺寸计算，但收集正确的数据以供这些程序使用可能会很困难，并且在确定合适的阀门流量特性时可能会遇到问题。尽管大多数终端用户了解快开，线性和等百分比调整之间的区别，但很少有人了解选择正确流量特性的过程。

选择不正确的阀内件可能会使控制变得困难甚至无法进行，因此选择合适的特性对阀门性能至关重要。本文介绍了不同的控制阀流量特性选件，并说明了如何选择最佳的选件以在各种加工条件下提供精确一致的控制。

快开，线性或等百分比

可用的控制阀固有流量特性通常分为三大类：快开，线性和等百分比。流量剖面通常是阀体结构以及调整阀内件的结果。这三种类别的额定行程百分比与额定流量系数百分比如图1所示。

如图所示，三个修整剖面明显不同。顾名思义，线性流量特性画出一条直线-阀门行程和流量以大致相同的速率变化。当阀门打开50％时，阀门会将流量调节到容量的50％左右。截止阀和某些蝶阀通常表现出线性固有特性。

快开的轮廓也反映了它的名称-阀门首次打开时，流量迅速上升。快开的阀内件通常将提供大约50％的流量，而阀门仅打开25％，打开50％时将提供70％或更多的流量。此后，随着阀门行程从50％上升到100％，流量增加很少。快开的阀内件很少用于控制阀中。

等百分比的阀内件与快开相反，当阀开始打开时流量最小。实际上，当阀门打开50％时，阀门的流量可能为25％或更低。但是，当阀门从50％移至100％时，流量迅速增加，在行程的最后20％至25％中又增加了50％的流量。球阀，一些高性能蝶阀和截止阀均具有相似的阀内件，具有这种固有的特性。

如此大的性能差异带来了一个显而易见的问题：为什么提供这么多选择？哪个是特定应用的正确选择？

整体情况

理解阀内件选择过程的第一步是认识到主机自动化系统希望在阀门移动时看到线性响应。大多数控制阀在自动比例积分微分（PID）回路中作为最终控制元件运行-将过程测量值，过程变量（PV）发送到主机系统。主机系统将该测量结果与设定值进行比较，然后将适当的输出量发送到阀门。

PID控制器将阀从10％移至15％还是从85％移至90％，PV都应改变相同的量，理想情况下，PV的增加百分比应与阀的变化相匹配，因此在任一情况下PV应当改变约5％。

当系统反应不是线性的时，PID控制器可能会遇到严重的稳定性问题。在非线性系统中，如果将控制器调整到一个阀位，例如15％的开度，则控制器将在该点上表现良好。但是，如果阀门需要打开至85％才能提供更多流量，则该阀门位置处的非线性系统响应将非常不同，并且环路可能会剧烈振荡。实际上，该循环可能根本无法在自动模式下进行控制。

基于这些概念，可能会得出最好的阀选择将呈现线性流量特性的结论，但是在许多情况下，这是不正确的。

阀门响应与安装响应

理想的目标是实现线性安装响应。但是，阀的流量响应不仅取决于阀内件的固有特性，而且取决于阀两端的压差。不幸的是，对于大多数管道系统而言，跨阀的压差会随流量而变化很大。参考图2中的设备布置。

在这种相当普通的系统中，离心泵通过控制阀和很长的管道将液体输送到下游容器。蓝色的泵曲线（参见图3）说明了离心泵的排放压力如何随流量下降。橙色的管道压降曲线说明管线压降与流量的平方成正比。泵的排出压力和管道压力下降之间的差是阀（阀门DP）上的压差，该曲线以灰色显示。

图3.曲线显示了泵压力如何随着排放压力的增加而下降，而下游管道压力随流量的增加而增加。随着系统流量的增加，控制阀上的压降（灰色）会迅速下降。

注意低流量时阀DP值非常高，以及DP如何随着流量增加显著下降。现在，想象一下线性特性调整阀在该服务中的性能。

在低流量时，由于高压降，阀最轻微的移动都将导致流量大大增加。但是，在高流速下，由于阀DP值非常低，阀将需要行进一段较大的距离才能赋予流量任何变化。因此，在此应用中，线性特性阀将以非线性方式响应。

在流量低时，阀的轻微移动会造成流量的大变化。在高流量下，相同的阀门移动几乎不会改变流量。调整此PID控制回路将非常困难，甚至不可能。

如果安装了等百分比的阀内件，则阀的非线性响应曲线将抵消下降阀DP的影响。在低流量下，等百分比阀将需要移动很多才能改变流量开度，从而抵消了高DP的影响。在高流量下，轻微的阀门移动会迅速增加流量，这是必需的，因为跨过阀门的DP非常低。看起来似乎违反直觉，但极非线性的等百分比调整在此应用中提供了接近线性的系统响应。

流量特性修整选择的经验法则

不同的应用有利于不同的阀门流量特性。这些经验法则不能涵盖所有情况，但可以解决流程工业中遇到的许多典型情况。

通常选择线性控制阀来进行压力控制，包括近恒定阀DP，近恒定入口压力和临界压降，高入口压力和低出口压力（例如蒸汽减压阀），容积式压缩机旁通阀，蒸馏/分馏塔压力控制应用及其他。线性阀还选择用于液位控制应用，具有接近恒定的阀DP，温度控制应用可限制液体进入热交换器，或在热交换器旁路应用中使用两个阀或三通阀。

等百分比特性通常使用在阀DP与流量成反比的压力控制应用中，例如保持向燃烧器的气压或向再沸器提供恒定的蒸汽流量。它们还用于流量控制，其中阀DP小于管路回路压降的三分之一-以及用于蒸汽或其他冷凝/传热过程的温度，流量或压力控制。（参见图4。）

快开阀通常不能很好地用作控制阀，但可用于需要快速流量的排水/排气应用。

无论维修和选择的流量特性调整如何，都必须首先确定阀门的大小。在工艺条件尚未彻底调查的应用中，阀门通常过大，以提供误差幅度，但这通常会导致控制不佳，而与阀内件的选择无关。

结论

选择正确的固有流量特性决定了能否成功安装控制阀。实现线性安装响应的想法很简单，但是要实现此目标，最终用户必须对他们的过程有很好的了解。与工艺专家讨论流体力学可以带来可控性和过程稳定性方面的巨大收益。

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马克·诺德是艾默生在爱荷华州马歇尔敦的流量控制产品的控制阀解决方案架构师。他负责解决具有挑战性的控制阀应用。诺德在工厂操作、控制阀和蒸汽调节应用方面拥有30年的经验，他拥有北达科他大学的BSME学位。