控制阀特性

可提供各种类型的流量特性。本教程讨论水和蒸汽流量应用中使用的三种主要类型：快开、线性和等百分比流量；它们的比较方式，以及如何（以及为什么）应与所使用的应用相匹配。

流量特性 所有控制阀都具有固有的流量特性，该特性定义了在恒定压力条件下”阀门开度”与流量之间的关系。请注意，此处的”阀门开度”指的是阀芯相对于其关闭在阀座上的相对位置。它不指的是孔口通道面积。孔口通道面积有时称为”阀喉”，是阀芯和阀座之间流体通过的最窄点。然而，对于任何阀门，无论其特性如何，流量和孔口通道面积之间的关系始终是成正比的。

承受相同体积流量和压差的任何尺寸或固有流量特性的阀门将具有完全相同的孔口通道面积。然而，不同的阀门特性将为相同的通道面积给出不同的”阀门开度”。比较线性阀和等百分比阀，线性阀在某个压差和流量下可能有25%的阀门开度，而等百分比阀在完全相同的条件下可能有65%的阀门开度。孔口通道面积将是相同的。

阀芯和阀座结构的物理形状（有时称为阀门”阀内件”）导致了这些阀门之间阀门开度的差异。直行程截止阀的典型阀内件形状比较见图6.5.1。 在本章中，术语”阀门升程”用于定义阀门开度，无论阀门是截止阀（阀芯相对于阀座的上下移动）还是回转阀（阀芯相对于阀座的横向移动）。

回转阀（例如球阀和蝶阀）各自具有基本特性曲线，但改变球体或蝶形阀芯的细节可以修改该曲线。典型截止阀和回转阀的固有流量特性比较见图6.5.2。

这些阀及其固有特性的示例如图6.5.1和6.5.2所示。

快开特性 快开特性阀芯在从关闭位置的微小升程内将产生较大的流量变化。例如，50%的阀门升程可能导致高达90%最大潜力的孔口通道面积和流量。

使用这种类型阀芯的阀门有时被称为具有”开关”特性。

与线性和等百分比特性不同，快开曲线的确切形状在标准中没有定义。因此，一个阀门在50%升程时提供80%流量，另一个阀门在60%升程时提供90%流量，两者都可被视为具有快开特性。

快开阀通常采用电动或气动执行机构，用于”开关”控制。

自作用类型的控制阀往往具有类似于图6.5.1中快开阀芯的阀芯形状。阀芯位置响应控制系统中液体或蒸气压力的变化。这种阀芯的运动相对于被控条件的微小变化可能极小，因此阀门具有固有的高可调比。阀芯因此能够重现微小的流量变化，不应被视为快开控制阀。

线性特性 线性特性阀芯的形状使得在恒定压差下，流量与阀门升程（H）成正比。线性阀通过在阀门升程和孔口通道面积之间建立线性关系来实现这一点（见图6.5.3）。 例如，在40%阀门升程时，40%的孔口尺寸允许40%的全流量通过。

等百分比特性（或对数特性） 这些阀门的阀芯形状使得每次升程的增加都使流量增加前一流量的一定百分比。阀门升程和孔口尺寸（因此也是流量）之间的关系不是线性的，而是对数的，用公式6.5.1表示： 示例6.5.1 具有等百分比特性的控制阀的最大流量为10 m³/h。如果阀门的可调比为50:1，并承受恒定压差，使用公式6.5.1，阀门在40%、50%和60%升程时分别通过多少流量？ 通过这种控制阀的体积流量在每次相等的阀门移动增量下按相等百分比增加：

• 当阀门50%开度时，通过1.414 m³/h，比阀门40%开度时的0.956 m³/h增加48%。
• 当阀门60%开度时，通过2.091 m³/h，比阀门50%开度时的1.414 m³/h增加48%。 可以看出（在恒定压差下），对于任何10%的阀门升程增加，通过控制阀的流量增加48%。对于可调比为50的等百分比阀，这始终是如此。作为参考，如果阀门的可调比为100，则10%阀门升程变化的流量增量增加为58%。

表6.5.1显示了示例6.5.1中可调比为50的等百分比阀在恒定压差下，不同阀门升程范围的流量变化情况。 还有一些其他固有阀门特性有时会被使用，如抛物线型、修正线性型或双曲线型，但制造中最常见的类型是快开、线性和等百分比。 将阀门特性与安装特性匹配 每个应用都有独特的安装特性，将流体流量与热量需求关联起来。控制加热流体流量的阀门上的压差也可能变化：

• 在水系统中，泵特性曲线意味着随着流量减少，阀门上游压力增加（参考示例6.5.2和第6.3章）。
• 在蒸汽温度控制系统中，控制阀上的压差被有意变化以满足所需的热负荷。 为应用选择的控制阀特性应使阀门开度和流量之间的关系尽可能在阀门的大部分行程中保持直接关系。

本节将考虑控制水系统和蒸汽系统的各种阀门特性选项。一般来说，线性阀用于水系统，而蒸汽系统使用等百分比阀通常效果更好。 1. 带三通阀的水循环供暖系统 在水系统中，恒定流量的水通过三通阀混合或分流到平衡回路中，阀门上的压力损失尽可能保持稳定以维持系统平衡**。

结论** - 在这些应用中，最佳选择通常是具有线性特性的阀门。因此，安装特性和固有特性始终是相似和线性的，控制回路中的增益将是有限的。2. 锅炉水位控制系统 - 带二通阀的水系统 在这类系统中（图6.5.6为一个示例），二通给水控制阀改变水的流量，控制阀上的压差将随流量变化。这种变化是由以下因素引起的：

• 泵特性。随着流量减少，泵和锅炉之间的压差增加（此现象在第6.3章中有更详细的讨论）。
• 管道的摩擦阻力随流量变化。摩擦造成的扬程损失与速度的平方成正比（此现象在第6.3章中有更详细的讨论）。
• 锅炉内的压力将作为蒸汽负荷、燃烧器控制系统类型及其控制模式的函数而变化。 示例6.5.2 选择和确定图6.5.6中给水阀的尺寸 在一个简化的示例中（假设锅炉压力恒定且管道摩擦损失恒定），一台锅炉额定每小时产生10吨蒸汽。锅炉给水泵的性能特性列于表6.5.2中，以及在最大流量要求10 m³/h给水量及以下时各种流量下给水阀上的压差（ΔP）。

**注意：**阀门ΔP是泵排放压力与恒定锅炉压力10 bar g之间的差值。注意泵排放压力将随给水流量增加而降低。这意味着给水阀前的水压也随流量增加而降低，这将影响压差和通过阀门的流量之间的关系。

从表6.5.2可以确定，泵排放压力从空载到满载下降约26%，但给水阀上的压差下降幅度大得多，为72%。如果在阀门选型时不考虑阀门上不断下降的压差，阀门可能偏小。 如第6.2和6.3章所讨论的，阀门容量通常用Kv来衡量。更具体地说，Kvs与阀门全开时的通道面积有关，而Kvr与应用所需的通道面积有关。 考虑一个Kvs为10的全开阀门的通道面积为100%。如果阀门关闭使通道面积为全开通道面积的60%，则Kvr也是10的60% = 6。无论固有阀门特性如何，这都适用。在每个开度下通过阀门的流量将取决于当时的压差。 使用表6.5.2中的数据，所需的阀门容量Kvr可以使用公式6.5.2计算，该公式由公式6.3.2导出。Kvr可以被认为是安装所需的实际阀门容量，如果针对所需流量绘制，所得图形可称为”安装曲线”。 在满载条件下，从表6.5.2：

通过阀门的所需流量 = 10 m³/ h

阀门上的ΔP = 1.54 bar

从公式6.5.2：

取表6.5.2中的阀门流量和阀门ΔP，可以使用公式6.5.2确定每个增量的Kvr；这些列于表6.5.3中。 绘制安装曲线 Kvr为8.06满足本示例的最大流量条件10 m3/h。

安装曲线可以通过比较流量和Kvr来绘制，但通常以百分比形式查看安装曲线更方便。这简单意味着Kvr相对于Kvs的百分比，换句话说，实际通道面积相对于全开通道面积的百分比。

对于本示例：安装曲线通过取任意负荷下Kvr相对于Kvs 8.06的比值来绘制。Kvs为8.06的阀门将是”完美选型”的，并将描述安装曲线，如表6.5.4所列和图6.5.7所绘制。该安装曲线可以被认为是本示例中完美选型阀门的阀门容量。**** 可以看出，由于阀门对此安装是”完美选型”的，当阀门全开时满足最大流量。

然而，选择完美选型的阀门既不太可能也不理想。实际上，所选阀门通常至少大一号，因此其Kvs大于安装Kvr。

由于Kvs为8.06的阀门不是商用产品，下一个较大的标准阀门的Kvs为10，公称DN25连接。

将Kvs为10的线性阀和等百分比阀与本示例的安装曲线进行比较是很有意义的。

考虑具有线性固有特性的阀门 具有线性特性的阀门意味着阀门升程和孔口通道面积之间的关系是线性的。因此，在任何流量条件下，通道面积和阀门升程只是Kvr表示为阀门Kvs的比例。例如：**** 从表6.5.4可以看出，在最大流量10 m³/h时，Kvr为8.06。如果线性阀的Kvs为10，阀门要满足所需的最大流量，阀门升程为： 使用相同的程序，可以确定线性阀在不同流量下所需的孔口尺寸和阀门升程，如表6.5.5所示。 等百分比阀需要完全相同的通道面积来满足相同的最大流量，但其升程将不同于线性阀。

考虑具有等百分比固有特性的阀门

给定阀门可调比为50:1，τ = 50，可以使用公式6.5.1确定升程（H）： 阀门升程百分比由公式6.5.3表示。 由于通过任何阀门的体积流量与孔口通道面积成正比，公式6.5.3可以修改为用通道面积（因此也是Kv）来表示等百分比阀升程。

这由公式6.5.4表示。 如已计算，最大流量10 m³/h时的Kvr为8.06，DN25阀门的Kvs为10。使用公式6.5.4，满载时所需的阀门升程因此为：因此：

表**** 6.5.10 阀门升程比较（Kvs 160）Kvr和安装曲线

*安装曲线是任意负荷下Kvr相对于最大负荷下Kvr的百分比

从图6.5.11可以看出，与图6.5.10中较小的（正确选型的）阀门相比，两条阀门曲线都向左移动了，而安装曲线保持不变。

线性阀的变化相当显著；可以看出，在30%负荷时，阀门仅10%开度。即使在85%负荷时，阀门也仅30%开度。还可以观察到，对于相对较小的升程变化，流量变化很大。这实际上意味着阀门在其90%的范围内作为快动阀运行。对于这种蒸汽安装，这不是最佳的固有特性类型，因为通常蒸汽流量的变化最好是相当缓慢地发生。

虽然等百分比阀曲线的位置有所移动，但它仍在安装曲线的右侧，能够提供良好的控制。其曲线的下半部分相对平缓，在初始行程期间提供较慢的开启，对于控制蒸汽流量来说比本例中的线性阀更好。

可能导致过大选型的情况包括：

• 应用数据是近似的，因此额外包含了”安全系数”。
• 选型程序包含操作”系数”，如过度的污垢余量。
• 计算的Kvr仅略高于标准阀门的Kvs，必须选择下一个更大的尺寸。 还有以下情况：
• 满载时控制阀上的可用压差较低。 例如，如果蒸汽供应压力为4.5 bar a，满载时换热器中所需的蒸汽压力为4 bar a，满载时仅给出11%的压差。
• 最小负荷远低于最大负荷 线性阀特性意味着阀芯在靠近阀座的位置运行，有可能造成损坏。

在这些常见情况下，等百分比阀特性将提供更加灵活和实用的解决方案。

这就是为什么大多数控制阀制造商推荐在二通控制阀上使用等百分比特性，特别是在用于蒸汽等可压缩流体时。

请注意：如果有条件，最好在最大负荷时尽可能高的压差下选型蒸汽阀门；如果条件允许，甚至可以在控制阀上出现临界压差时选型。这有助于减小控制阀的尺寸和成本，使安装曲线更线性化，并有机会选择线性阀。

然而，条件可能不允许这样做。阀门只能根据应用条件进行选型。例如，如果换热器工作压力为4.5 bar a，最大可用蒸汽压力仅为5 bar a，则阀门只能基于10%的压差（[5 - 4.5]/5）进行选型。在这种情况下，基于临界压差选型将过度减小控制阀的尺寸，使换热器蒸汽不足。

如果无法增加蒸汽供应压力，解决方案是安装一个在较低工作压力下运行的换热器。这样，控制阀上的压差将会增加。这可能导致更小的阀门，但不幸的是也需要更大的换热器，因为换热器的工作温度现在更低了。

然而，在较低蒸汽压力下运行的较大换热器具有一些优势：

• 加热表面结垢和积垢的倾向更小。
• 冷凝水系统中产生的闪蒸更少。
• 冷凝水系统中的背压更小。 必须在控制阀和换热器的成本、阀门正确控制的能力以及对系统其余部分的影响之间取得平衡，如前所述。在蒸汽系统上，等百分比阀通常是比线性阀更好的选择，因为如果发生低压差，它们对阀门整个移动范围内的性能影响较小。