概述從調節閥行程直接求得流量值

概述從調節閥行程直接求得流量值

關于氣動調節閥的閥桿行程與調節閥的不同流量特性間存在一定的關系，從而測得行程值后，便可獲得調節閥通過的流量值。該法曾在某一工程上實踐過。
關于氣動調節閥的閥桿行程與調節閥的不同流量特性間存在一定的關系，從而測得行程值后，便可獲得調節閥通過的流量值。該法曾在某一工程上實踐過。
概述
一個已安裝在流體管道上的調節閥，如果其口徑和流量特性選擇得正確的話，則調節閥的行程變化引起閥座與閥塞間的節流面積變化與流過流體量存在一定的關系。
這里所闡述的算法是針對調節閥行程發生變化時，按不同的流量特性數學算法，某一工程實踐是用人工計算出流過閥門的物料量的。為將數據進行進一步微處理數字化處理以代替人Ⅰ計算并在現場直接顯示瞬間值，對用戶操作指導有便，對制造商可提高附加值。
按開發的算法推算出的流量值可能精度不高，因它受多個條件約束和系統阻力降比S值影響，如果用戶對流量精度不苛求，僅作為操作指導，則該算法有實用意義。
調節閥工作的基本原理
調節閥的工作，實際上是起到安裝在流體管道上的一個局部阻力可變化的節流件作用。對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，經過整理后，則流過調節閥的流量式為：

設C=F/，則式②可改為

式中：F：—閥座閥塞間形成的節流面積
：阻力系數，隨節流面積變化和不同結構而變；
P1 P2：調節閥前后壓力；
V1 V2：調節閥前后流體流速；
p：流體密度；
g：重力加速度；
c：流量系數。
它有英制單位和公制單位。英制單位Cv的定義為當閥門兩端的壓差為1Psi（磅/平方英寸）水溫為16°F時，每分鐘所流過的加侖數，即gpm表示。公制單位Kv定義為當閥門兩端壓差為1kg/cm2水溫為15℃時每小時流過量，即m3/h，所以它是代表調節閥的流通能力。
從式②可知，當不變時，流過調節閥的流體量（也即流量系數）主要取決于節流面積F和阻力系數。F增大時，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，也即輸入到調節閥執行機構上的信號大小，從而改變閥桿行程而形成的。而阻力系數ξ 除受行程變化外還受不同結構形式的決定。結構形式復雜的套筒或球形的調節閥的ξ就比結構相對簡易的球閥或蝶閥阻力大，所以相同尺寸的不同結構調節閥，流量系數Cv（或Kv）值是不相同的。
不同結構和不同口徑的流量系數，通常都是由制造商提供的。影響調節閥選用的因素有很多，但是zui主要的確定流量系數值。相同結構形式，不同制造商，由于其加工精度和設計不同，雖口徑相同，其流量系數也不盡相同。一般來說，制造廠商所提供的流量系數值是按照閥門在正確流向下，在規定條件下所求得的基本參數。如果調節閥門反向安裝，則不僅流量特性會畸變，而且流通能力也會受到變化。
用戶在選擇調節閥口徑時，按照工藝條件計算出來的流量系數Cv（或Kv）值應該比制造廠商提供的Cv值要小些，以便留有適當的余量。但是余量不能留太大，否則口徑選得過大，不僅使投資增加 ，而且在工作時會使調節閥經常處于小開度下會造成控制系統不穩定。
行程與流量的關系
調節閥的行程變化會引起調節閥的閥座與閥塞間的節流面積（也有稱流通面積）變化，從而使流體的流量改變。通常把調節閥的相對節流面積，即相對流量與相對行程之間關系稱為流量特性。相對行程是指調節閥在某一開度下的行程田l與全開時的行程L之比。相對流量是指某一開度下的流量Q占全開度時的流量Q100之比。用數學表示為：Q/Q100 = f （l/L）。
調節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節閥兩端壓降不變時，調節閥的開度和流量關系。它是由制造廠決定的。安裝流量特性是指調節閥安裝到管道上后的開度和流量間的關系。
固有流量特性通常有直線、等百分比和快開（也有稱兩位開關式）三種。當調節閥的壓降恒定時，密度p為－常數，流量Q與流量系數C成正比，即：

上式說明調節閥的固有流量特性可以用相對行程l/L和相對流量Q/Q100的關系來表示，為附圖所示。

下面將三種流量特性的算法進行闡述：
1）直線流量特性算法
直線流量特性是指調節閥的相對流量與相對行程的關系成一直線，也就是說，調節閥的放大系數為—常數k，用數學表述為：

設邊界條件為當t=0時，Q=Qmin，當閥全開l=L時，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學表述式為：
④
R為調節閥可調比，即R=Q100/Qmin
在實例應用中，l值從調節閥上可讀得，當然，它也可以從E/P定位器的閥位輸出信號讀取。對一已選定口徑的調節閥，其全行程值L、可調比R、C100數據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節閥的閥桿向上移動（或向下移動）同樣百分值時，相對流量是按等百分比增加（或減少）。例如一個可調比R為30的調節閥，當行程從20%移動到30%時，相對流量引起的變化值為40%；當行程從50%移動到60%時，相對流量引起的變化值也為40%。
等百分比流量特性的數學表達式為：

解上述微分方程并代入邊界條件，可得出其數學式為：
⑤
它表明行程比與相對流量比間成對數關系。從附圖中也可看到，等百分比流量特性的調節閥的放大系數是隨行程增加而增大。在小流量時，流量的值變化小，引起的過程變化比較緩和，而在大流量時，其值在行程變化時就很大，工作靈敏，所以適用于負荷變化較大的場合。
等百分比流量特性調節閥也可用下式來表示：
⑥
3）快開流量特性算法
快開流量特性有時稱為兩位式開關流量特性，它是當行程變化小時，流量變化很大，并隨著行程的增加，流量很快就達到接近zui大值。所以此類閥門適用于快速啟閉，實現兩位控 制的場合。其數學式為：

解上述微分方程并代入連界條件，可得到數學表達式：
⑦
所有上述三種流量特性的數學表達式都是按理想的固有流量特性來考慮的。在實際的安裝條件下，調節閥的流量特性會受系統阻力的壓降比即S值的影響，尤其是S值較小時，即調節閥的壓降對系統總壓降比很小時，流量特性的畸變越加嚴重。因此，這個算法希望S值不應太小，也就是說希望調節閥的壓降占整個系統壓降較大的情況。
算法在實例中應用
該任務來自一個偶然的機會。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節閥控制。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，以決策下一步的計劃。他已有排空氣體的化驗分析數據，還想了解排空氣體的流量，但現場空間有限，流量計無法安裝也無投資預算，急欲尋求一個有效方法。找到我后了解該調節閥是從國外引進，有較完整計算資料和樣本。從而找到該閥的全行程值為1bmm，直線特性，可調比R為50，Cv值為39.2，閥門結構為套筒式，口徑為1.5英寸。從這些數據中，可很快了解到其相對行程比t/L=0.625，按上述介紹的直線特性算法，方便的求得瞬時值，滿足了工藝工程師的需求。能更大的提高閥的調節準確度。