概述從調(diào)節(jié)閥行程直接求得流量值

概述從調(diào)節(jié)閥行程直接求得流量值

關(guān)于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥桿行程與調(diào)節(jié)閥的不同流量特性間存在一定的關(guān)系，從而測(cè)得行程值后，便可獲得調(diào)節(jié)閥通過的流量值。該法曾在某一工程上實(shí)踐過。
關(guān)于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥桿行程與調(diào)節(jié)閥的不同流量特性間存在一定的關(guān)系，從而測(cè)得行程值后，便可獲得調(diào)節(jié)閥通過的流量值。該法曾在某一工程上實(shí)踐過。
概述
一個(gè)已安裝在流體管道上的調(diào)節(jié)閥，如果其口徑和流量特性選擇得正確的話，則調(diào)節(jié)閥的行程變化引起閥座與閥塞間的節(jié)流面積變化與流過流體量存在一定的關(guān)系。
這里所闡述的算法是針對(duì)調(diào)節(jié)閥行程發(fā)生變化時(shí)，按不同的流量特性數(shù)學(xué)算法，某一工程實(shí)踐是用人工計(jì)算出流過閥門的物料量的。為將數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步微處理數(shù)字化處理以代替人Ⅰ計(jì)算并在現(xiàn)場(chǎng)直接顯示瞬間值，對(duì)用戶操作指導(dǎo)有便，對(duì)制造商可提高附加值。
按開發(fā)的算法推算出的流量值可能精度不高，因它受多個(gè)條件約束和系統(tǒng)阻力降比S值影響，如果用戶對(duì)流量精度不苛求，僅作為操作指導(dǎo)，則該算法有實(shí)用意義。
調(diào)節(jié)閥工作的基本原理
調(diào)節(jié)閥的工作，實(shí)際上是起到安裝在流體管道上的一個(gè)局部阻力可變化的節(jié)流件作用。對(duì)于不可壓縮的流體來說，它是遵循能量守恒定律，所以指柏努利方程（Bernolli Equation）可列出其流量方程，方程為：

如以體積流量Q來代替速度V，經(jīng)過整理后，則流過調(diào)節(jié)閥的流量式為：

設(shè)C=F/，則式②可改為

式中：F：—閥座閥塞間形成的節(jié)流面積
：阻力系數(shù)，隨節(jié)流面積變化和不同結(jié)構(gòu)而變；
P1 P2：調(diào)節(jié)閥前后壓力；
V1 V2：調(diào)節(jié)閥前后流體流速；
p：流體密度；
g：重力加速度；
c：流量系數(shù)。
它有英制單位和公制單位。英制單位Cv的定義為當(dāng)閥門兩端的壓差為1Psi（磅/平方英寸）水溫為16°F時(shí)，每分鐘所流過的加侖數(shù)，即gpm表示。公制單位Kv定義為當(dāng)閥門兩端壓差為1kg/cm2水溫為15℃時(shí)每小時(shí)流過量，即m3/h，所以它是代表調(diào)節(jié)閥的流通能力。
從式②可知，當(dāng)不變時(shí)，流過調(diào)節(jié)閥的流體量（也即流量系數(shù)）主要取決于節(jié)流面積F和阻力系數(shù)。F增大時(shí)，Q也增大；反之，Q也減少。F值的改變受控于控制器的輸出信號(hào)，也即輸入到調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的信號(hào)大小，從而改變閥桿行程而形成的。而阻力系數(shù)ξ 除受行程變化外還受不同結(jié)構(gòu)形式的決定。結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的套筒或球形的調(diào)節(jié)閥的ξ就比結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)易的球閥或蝶閥阻力大，所以相同尺寸的不同結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥，流量系數(shù)Cv（或Kv）值是不相同的。
不同結(jié)構(gòu)和不同口徑的流量系數(shù)，通常都是由制造商提供的。影響調(diào)節(jié)閥選用的因素有很多，但是zui主要的確定流量系數(shù)值。相同結(jié)構(gòu)形式，不同制造商，由于其加工精度和設(shè)計(jì)不同，雖口徑相同，其流量系數(shù)也不盡相同。一般來說，制造廠商所提供的流量系數(shù)值是按照閥門在正確流向下，在規(guī)定條件下所求得的基本參數(shù)。如果調(diào)節(jié)閥門反向安裝，則不僅流量特性會(huì)畸變，而且流通能力也會(huì)受到變化。
用戶在選擇調(diào)節(jié)閥口徑時(shí)，按照工藝條件計(jì)算出來的流量系數(shù)Cv（或Kv）值應(yīng)該比制造廠商提供的Cv值要小些，以便留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊５怯嗔坎荒芰籼?，否則口徑選得過大，不僅使投資增加 ，而且在工作時(shí)會(huì)使調(diào)節(jié)閥經(jīng)常處于小開度下會(huì)造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。
行程與流量的關(guān)系
調(diào)節(jié)閥的行程變化會(huì)引起調(diào)節(jié)閥的閥座與閥塞間的節(jié)流面積（也有稱流通面積）變化，從而使流體的流量改變。通常把調(diào)節(jié)閥的相對(duì)節(jié)流面積，即相對(duì)流量與相對(duì)行程之間關(guān)系稱為流量特性。相對(duì)行程是指調(diào)節(jié)閥在某一開度下的行程田l與全開時(shí)的行程L之比。相對(duì)流量是指某一開度下的流量Q占全開度時(shí)的流量Q100之比。用數(shù)學(xué)表示為：Q/Q100 = f （l/L）。
調(diào)節(jié)閥的流量特性一般有固有（也有稱理想）流量特性和安裝流量特性。固有流量特性是指調(diào)節(jié)閥兩端壓降不變時(shí)，調(diào)節(jié)閥的開度和流量關(guān)系。它是由制造廠決定的。安裝流量特性是指調(diào)節(jié)閥安裝到管道上后的開度和流量間的關(guān)系。
固有流量特性通常有直線、等百分比和快開（也有稱兩位開關(guān)式）三種。當(dāng)調(diào)節(jié)閥的壓降恒定時(shí)，密度p為－常數(shù)，流量Q與流量系數(shù)C成正比，即：

上式說明調(diào)節(jié)閥的固有流量特性可以用相對(duì)行程l/L和相對(duì)流量Q/Q100的關(guān)系來表示，為附圖所示。

下面將三種流量特性的算法進(jìn)行闡述：
1）直線流量特性算法
直線流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)行程的關(guān)系成一直線，也就是說，調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)為—常數(shù)k，用數(shù)學(xué)表述為：

設(shè)邊界條件為當(dāng)t=0時(shí)，Q=Qmin，當(dāng)閥全開l=L時(shí)，Q=Q100。解上述微分方程并代入邊界條件，可得到直線特性的數(shù)學(xué)表述式為：
④
R為調(diào)節(jié)閥可調(diào)比，即R=Q100/Qmin
在實(shí)例應(yīng)用中，l值從調(diào)節(jié)閥上可讀得，當(dāng)然，它也可以從E/P定位器的閥位輸出信號(hào)讀取。對(duì)一已選定口徑的調(diào)節(jié)閥，其全行程值L、可調(diào)比R、C100數(shù)據(jù)可從制造廠提供的樣本資料中獲得。用C100值可通過式③反推算出Q100，瞬時(shí)值Q就可方便地從式④中求得。
2）等百分比流量特性算法
等百分比流量特性的含義是按調(diào)節(jié)閥的閥桿向上移動(dòng)（或向下移動(dòng)）同樣百分值時(shí)，相對(duì)流量是按等百分比增加（或減少）。例如一個(gè)可調(diào)比R為30的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)行程從20%移動(dòng)到30%時(shí)，相對(duì)流量引起的變化值為40%；當(dāng)行程從50%移動(dòng)到60%時(shí)，相對(duì)流量引起的變化值也為40%。
等百分比流量特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

解上述微分方程并代入邊界條件，可得出其數(shù)學(xué)式為：
⑤
它表明行程比與相對(duì)流量比間成對(duì)數(shù)關(guān)系。從附圖中也可看到，等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)是隨行程增加而增大。在小流量時(shí)，流量的值變化小，引起的過程變化比較緩和，而在大流量時(shí)，其值在行程變化時(shí)就很大，工作靈敏，所以適用于負(fù)荷變化較大的場(chǎng)合。
等百分比流量特性調(diào)節(jié)閥也可用下式來表示：
⑥
3）快開流量特性算法
快開流量特性有時(shí)稱為兩位式開關(guān)流量特性，它是當(dāng)行程變化小時(shí)，流量變化很大，并隨著行程的增加，流量很快就達(dá)到接近zui大值。所以此類閥門適用于快速啟閉，實(shí)現(xiàn)兩位控 制的場(chǎng)合。其數(shù)學(xué)式為：

解上述微分方程并代入連界條件，可得到數(shù)學(xué)表達(dá)式：
⑦
所有上述三種流量特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式都是按理想的固有流量特性來考慮的。在實(shí)際的安裝條件下，調(diào)節(jié)閥的流量特性會(huì)受系統(tǒng)阻力的壓降比即S值的影響，尤其是S值較小時(shí)，即調(diào)節(jié)閥的壓降對(duì)系統(tǒng)總壓降比很小時(shí)，流量特性的畸變?cè)郊訃?yán)重。因此，這個(gè)算法希望S值不應(yīng)太小，也就是說希望調(diào)節(jié)閥的壓降占整個(gè)系統(tǒng)壓降較大的情況。
算法在實(shí)例中應(yīng)用
該任務(wù)來自一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)。某化工廠有一吸收塔，在壓力下操作，未被吸收的尾氣通過塔頂排向大氣，塔壓依靠塔頂排空管上調(diào)節(jié)閥控制。由于排空尾氣中常含有成品氣一起排空，損失較大。工藝工程欲想了解該塔的物料平衡數(shù)，以決策下一步的計(jì)劃。他已有排空氣體的化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，還想了解排空氣體的流量，但現(xiàn)場(chǎng)空間有限，流量計(jì)無法安裝也無投資預(yù)算，急欲尋求一個(gè)有效方法。找到我后了解該調(diào)節(jié)閥是從國(guó)外引進(jìn)，有較完整計(jì)算資料和樣本。從而找到該閥的全行程值為1bmm，直線特性，可調(diào)比R為50，Cv值為39.2，閥門結(jié)構(gòu)為套筒式，口徑為1.5英寸。從這些數(shù)據(jù)中，可很快了解到其相對(duì)行程比t/L=0.625，按上述介紹的直線特性算法，方便的求得瞬時(shí)值，滿足了工藝工程師的需求。能更大的提高閥的調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。