关于调节阀的设计计算及选型的概述
调节阀是生产过程自动化系统中最常见的执行机构。一般自动控制系统由被控对象、检测仪表、控制器、执行机构等组成。调节阀直接与流体接触，控制流体的压力或流量。人们常将测量仪器称为生产过程自动化的“眼睛”；控制器被称为“大脑”；而执行器被称为“手和脚”。自动控制系统的一切先进控制理论、智能控制思想、复杂控制策略都是通过执行器作用于被控对象。正确选择调节阀的结构型式、流量特性、流通能力；正确选择执行机构的输出扭矩或推力和行程，对自动控制系统的稳定性和经济合理性起着非常重要的作用。如果计算错误、选型不当，将直接影响控制系统的性能，甚至无法实现自动控制。由于控制系统中调节阀选择不当而导致自动控制系统振动而不能正常运行的情况很多。因此，在自动控制系统的设计过程中，调节阀的设计和选型计算是必须认真考虑和设计的重要部分。
要正确选择满足特定控制系统要求的调节阀，必须掌握流体力学的基本理论。充分了解各类阀门的结构类型和特点，深入了解控制对象和控制系统部件的特点。选择调节阀的重点是阀门口径的选择，关键在于流通能力的计算。流通能力的计算公式已经比较成熟，可以借助计算机进行计算。然而，各种参数的选择需要大量的知识，最终的决定需要仔细考虑。
2 调节阀的结构型式及选用
常用的调节阀有座阀和蝶阀。随着生产技术的发展，控制阀的结构型式越来越多，以适应不同工艺流程、不同工艺介质的特殊要求。根据控制阀结构类型的不同，有单座阀、双座阀、角阀、套筒阀（笼式阀）、三通分流阀、三通合流阀、隔膜阀、波纹管阀等。已经逐步发展起来。 O型球阀、V型球阀、偏心旋转阀（凸轮偏转阀）、普通蝶阀、多偏心蝶阀等。
如何选择调节阀的结构型式？主要是综合考虑工艺参数（温度、压力、流量）、介质性质（粘度、腐蚀性、毒性、杂质情况）以及调节系统的要求（可调比、噪声、泄漏）而确定。一般情况下，应优先选用普通单双座控制阀和套筒阀，因为这些阀门结构简单，阀芯形状易于加工，而且比较经济。若该型式阀门不能满足工艺的综合要求，可根据具体的特殊要求选用相应结构型式的调节阀。下面我们就介绍一下常用的各类控制阀的特点及适用场合，例如：
(1)单座阀(VP、JP)：泄漏小(额定Kv值的0.01%)，允许压差小。 JP型阀门还具有体积小、重量轻的特点。适用于一般流体压差较小及要求泄漏量较小的场合。
（2）双座阀（VN）：不平衡力小，许用压差大，流量系数大，泄漏量大（额定K值的0.1%）。适用于要求大流量、大压差、低泄漏的场合。要求不严格的情况。
(3)套筒阀(VM.JM)：稳定性好，许用压差大，阀门内部零件更换维修方便，通用性强，通过更换套筒阀即可改变流通能力和流量特性，适用于压差要求运行稳定、低噪音的场合。
(4)角阀(VS)：流路简单，易于自洁和清洗，受高速流体侵蚀较小。适用于高粘度、含有颗粒等物质、闪蒸、空化的介质；特别适用于直角阀。连接场合。
(5)偏心旋转阀(VZ)：体积小、密封性好、泄漏小、流通能力大、可调比宽R=100、许用压差大，适用于要求调节范围宽、流通能力大、稳定性好的场合性爱场合。
（6）V型球阀（VV）：流通能力大，可调比宽度R=200~300，流量特性近似等于等百分比，V型口与阀座有剪切作用，适用于纸浆、污水和含纤维阀门，控制颗粒物质介质。
（7）O型球阀（VO）：结构紧凑、重量轻、流通能力大、密封性好、近似零泄漏、调节范围宽R=100~200、快开流量特性，适用于纸浆、污水和高粘度、纤维、颗粒物的介质需要严格隔离。
（8）隔膜阀（VT）：流路简单，阻力小，采用耐腐蚀衬里和隔膜，防腐性能好，流量特性近似快开，适用于适用于常温、低压、高粘度、有悬浮颗粒的介质。 。
（9）蝶阀（VW）：结构简单，体积小，重量轻，易于制成大口径，流道光滑，有自洁作用，流量特性近似等百分比，适用于大口径、大流量含有悬浮物的流体颗粒控制。
3 调节阀的流量特性及选择
调节阀的流量特性分为固有特性和工作特性两种。固有特性又称控制阀的结构特性，是由制造厂在制造时确定的。调节阀工作在管道中。管道系统的阻力分布随流量的变化而变化，调节阀前后的压差也随之变化。这就产生了调节阀的工作特性。
3.1 结构特点
调节阀是通过行程的变化改变阀芯与阀座之间的节流面积来达到控制流量的目的。因此，阀芯和阀座的节流面积如何随行程变化对调节阀的操作特性影响很大。阀门的相对节流面积与阀门的相对开度之间的关系通常称为调节阀的结构特性。所谓阀门的相对开度是指调节阀的某一开启行程与全开启行程的比值（角行程和直行程原理相同），用l=L/Lmax表示。所谓阀门的相对节流面积是指调节阀在一定开度时的节流面积与全开时的节流面积之比，用f=F/Fmax表示。
调节阀结构特性的数学表达式为：
f=Φ(l) (3-1)
上述方程的函数关系取决于阀芯和相关阀门部件的形状和结构。不同的结构形成了几种典型的结构特征。
3.1.1 线性结构特性
阀门的相对节流面积与相对开度成线性关系。现在：
df/dl=c (3-2)
式中：c为常数
假设边界条件为：当L=0时，F=Fmax；当L=Lmax，F=Fmax时：求解上述微分方程，带入边界条件，得到数学表达式：
(3-3)
式中：R=Fmax/Fmin为调节阀节流面积的变化范围。
3.1.2 等百分比结构特性
阀门相对节点面积随行程的变化率与该点的节流量成正比。现在：
df/dl=cf (3-4)
求解上述微分方程，代入与上述相同的边界条件，数学公式为：
f=R（l-1）（3-5）
式中：R=Fmax/Fmin
3.1.3 快开结构特点
阀门的节流面积随行程变化，很快达到最大值（饱和）。该阀门适用于快速开启和关闭。
3.1.4 抛物线结构特征
阀门的相对节流面积与相对开度呈抛物线关系。现在：
(3-6)
求解上述微分方程，代入与上述相同的边界条件，数学公式为：
(3-7)
式中：R=Fmax/Fmin
3.2 工作流程特点
调节阀的流量特性是指流经阀门的介质的相对流量与阀门的相对开度之间的关系。相对流量用q=Q/Qmax表示。
调节阀流量特性的数学表达式为：
q=Φ(l) (3-8)
一般来说，可以通过改变调节阀的节流面积来控制流量；但实际上，由于多种因素的影响，如节流面积的变化，也存在阀前后压差的变化，压差ΔPv的变化引起流量的变化。为了便于分析问题，假设阀门前后压差固定。
3.2.1 理想流量特性
当调节阀前后压差一定（ΔPv=常数）时获得的流量特性称为理想流量特性。假设调节阀在各开度下的流通能力与节流面积呈线性关系，即：
Ci=Cf (3-9)
式中：C：阀门全开时的流量
Ci：阀门在一定开度时的流通能力
f：相对节流面积
由流体力学可知，伯努利方程可推导出调节阀流量方程为：
(3-10)
式中：F：调节阀的节流面积
ε：调节阀的阻力系数，随开度变化
g：重力加速度
r：液体重量
P1、P2：调节阀前、后压力
调节阀的流量方程也可以简化写为：
(3-11)
当f=1时，可得Q=Qmax：
(3-12)
考虑到△P为常数，比较式(3-11)和式(3-12)可得：
q=f（3-13）
综上可知，当阀门各开度处的流通能力C与节流面积F呈线性关系时，即假设阀门前后压差一定，ΔP为为常数时，调节阀的理想流量特性与调节阀的结构特性完全一致。同样，这样，调节阀的理想流量特性也有直线、等百分比、快开、抛物线等四种形式。
3.2.2 实际工作流量特性
当调节阀前后压差发生变化时，所得到的流量特性称为工作流量特性。在实际工艺设备中，调节阀安装在工艺管道系统中。由于调节阀以外的管道、装置、设备等都存在阻力，阻力损失与通过管道的流量成平方关系变化。因此，当系统两端压差ΔP一定时，调节阀上的压差ΔPv会随着流量的增大而减小，如图1所示。这个压差的变化也会引起流量的变化。通过调节阀的流量，因此调节阀的理想流量将被扭曲并成为操作特性。
管道系统的总压差△Ps是管道系统（除调节阀外的阀门、设备和管道）的压差与调节阀前后的压差之和，即：
ΔPs=ΔP2+ΣΔP1 (3-14)
图1(b)中，△Pvm为最大流量时调节阀前后压差，Σ△Pim为最大流量时管道系统内压差。让：
(3-15)
这是工艺管道系统的阻力损失比S，即调节阀全开时，阀门上的压降△Pv与管道系统局部阻力部分ΣPim加上压降之和△阀门上的Pv。根据(3-11)之比，通过调节阀的流量为：
(3-16)
当调节阀开度达到100%时，即f=1时，有：
(3-17)
如果工艺管道系统的阻力损失完全由调节阀决定，即当管道设备的阻力等于零时（ΔPv=ΔPs），此时系统阻力损失比S=1，则调节阀前后的压差即为管道系统Ps的总压降△。此时调节阀的工作特性成为理想特性，此时的最大流量为：
(3-18)
比较式（3-16）和式（3-18），可以得到以Q为参数的相对流量特性：
(3-19)
比较式（3-16）和式（3-17），可以得到以Q100为参考量的相对流量特性：
(3-20)
进一步推导，考虑管道系统的节流面积恒定且其相对面积始终为1，则管道流量表达式如下：
(3-21)
式中：Q：管道流量
Cg：管道流通能力
ΣΔPi：管道阻力
γ：流体密度
式（3-16）和式（3-21）的流量相等，根据式（3-14）可推导出
(3-22)
当调节阀全开时，f=1，故调节阀最大开度时的前后压差（实际上是调节阀前后压差的最小值）为：
但：
(3-23)
结合方程（3-23）和（3-22）来求解方程组，我们有
(3-24)
将式(3-24)代入式(3.19)可得
(3-25)
将相应的结构特性代入上式，即可得到Qmax作为参考值的工作特性，如图2所示。
因为实际上S100会相对较小。随着调节阀开度的增大，管道系统的流量也增大，管道系统的压降ΣΔPi从最小值（约等于0）逐渐增大到ΣPim。这样，随着调节阀开度的增大，调节阀前后压差ΔPv会因ΣΔPi的增大而减小，见图1。因此，实际上管道系统的最大流量Q100必须小于理想情况下（S=1）的最大流量Qmax，这使得线性等百分比控制阀的特性曲线随着S的减小而下垂，如图2所示。
将式(3-24)和ΔPm=S?ΔPs代入式(3-20)可得：
(3-26)
将相应的结构特性代入上式，即可得到Q100的工作特性作为参考值，如图3所示。
对于带有流量调节阀的管道系统，阻力损失比S（又称压降比）越大，调节阀的压降在整个系统中所占的比例就越大，流量控制就越大调节阀的能力；若S=1.0，则△Pv=△Ps不变，则调节阀的工作特性为理想特性。反之，S值越小，调节阀的压降在整个系统中所占的比例越小；即调节阀的控制能力越差，即当流量增大时，调节阀前后的压降逐渐减小。因此，虽然调节阀的节流面积增大，但由于ΔPv的减小，流量并没有按照理想特性增加，流量增加速度减慢。随着S值减小，即管道阻力增大，会带来两个不良后果：一是调节阀的流量特性会日益扭曲；二是调节阀的流量特性会变得越来越扭曲。线性特性逐渐趋向快速开度特性，等百分比特性逐渐趋于线性特性，导致开度小时放大系数增大，开度大时放大系数减小，导致小开度时控制不稳定，在大开口处缓慢控制。因此，在实际使用中，通常要求S值不小于0.3~0.5。其次，调节阀的调节范围减小，实际调节比R'随着S的减小而减小：
(3-27)
式中：R：调节阀固有可调比
R'：调节阀实际调节比例
3.3 流量特征选择
线性结构特性控制阀的特性曲线的斜率在整个行程中都是固定值。以相对行程l等于10%、50%、80%为例；当行程变化10%时，节流面积的变化始终是10%，我们看一下其节流面积的相对变化：
可以看出，线性结构特性改变相同行程时，阀门开度较小时，节流面积的相对变化值较大；当阀门开度较大时，节流面积的相对变化值较小。这一特点往往使得线性结构特性阀在小开度条件下灵敏度过高，导致控制性能恶化。
纵观等百分比结构特性的调节阀，其特性曲线的斜率随着行程的增加而增大。以相同相对行程等于10%、50%、80%为例关于调节阀的设计计算及选型的概述，当行程变化为10%时（假设R=30）引起的节流面积变化分别为1.91%、7.3%、20.4 ％ 分别;因此，这种阀门在接近关闭时工作轻柔、平稳，进入全开状态时工作灵敏、有效。同样，我们看一下其节流面积的相对变化率：
可以看出，当行程变化为10%时，节流面积变化的相对值始终为40%。它具有等比特性和等百分比结构特性，因此而得名。
市场上实际的调节阀具有线性、等百分比、快开三个基本特点。针对陕西开门特点，一般采用二位调节和开关控制。对于调节系统调节阀特性的选择，是指如何选择直线和等百分比特性。设计选型主要依据以下两个原则。
(1)根据控制系统的控制质量，选择阀门的工作特性
理想的控制环路希望其总放大系数在控制系统的整个工作范围内保持不变。但在实际生产过程中，控制对象的特性往往是非线性的，其放大倍数随其外部条件的变化而变化。因此，通过适当选择控制阀的特性，利用控制阀放大系数的变化来补偿物体放大系数的变化，可以保持系统总放大系数恒定，从而保证控制质量在整个操作范围内保持恒定。如果控制对象是线性的，控制阀可以采用线性工作特性。然而，对于许多控制对象来说，放大系数随着负载的增加而变小。如果选用放大系数随负载增大而增大的调节阀，则可对其进行补偿。等百分比特性阀具有这种性能，因此得到广泛应用。
(2)从管道情况出发，根据控制阀所需的操作特性选择阀门的结构特性。
必须注意的是，根据第一原则选择的是阀门的工作流量特性。由于流量控制阀的管路系统不同，S值的大小直接导致阀门的工作流量特性偏离其结构特性而发生扭曲。因此，当我们根据所需的操作特性选择调节阀的结构特性时，必须考虑管道条件。 S值大时，调节阀工作特性畸变小；反之，当S值较小时，调节阀的工作特性畸变较大。考虑管道情况，可参考表一进行选型。
表1 阀门结构特点选型
调节阀与系统压降比S
1-0.6
0.6-0.3
<0.3
调节阀工作流量特性
开快点
直线
等百分比
开快点
直线
等百分比
控制不当
调节阀结构特点
开快点
直线
等百分比
直线
等百分比
等百分比
控制不当
选择阀的结构特点与S值密切相关。 S值越大，工作特性畸变越小，有利于控制。但S值大，说明调节阀的压力损失大，不经济。因此，必须综合考虑。在工程设计中，一般认为压降比S为0.3~0.6比较合适。
4 调节阀通径的计算与选择
4.1 选择调节阀口径的步骤
工艺生产流程已知后，确定了阀门的控制对象和使用条件，根据调节阀选型原则选择了阀门的类型、型号和结构特点，下一步就可以选择口径了调节阀的。选择调节阀口径的步骤如下：
(1)根据工艺的生产能力和设备负荷，确定计算调节阀流通能力的最大流量、常用流量、最小流量、计算压差等参数。
(2)根据被控介质及其工况条件选择计算公式，确定流体介质的密度、温度、粘度等已知条件并换算成工况，然后代入公式计算流通能力Kv.然后根据阀门的流通能力应大于计算流通能力的原则，查阅厂家提供的资料，选择调节阀的口径。
(3)根据需要检查开度或开度范围、可调比R等。
(4) 若计算结果满意，则调节阀口径的选择完成。否则，重新计算并验证。
调节阀的流通能力是指当调节阀上的压头损失一个单位时，流体通过阀门的能力。阀门的流通能力也称为流量系数Kv。当今国际规定：在压降105P△的情况下，1小时内流经调节阀的温度为5℃至40℃的水的立方米数。
关于流量系数，即调节阀的流通能力的计算，各种书刊上都有很多介绍。上海工业自动化仪表研究所编制的《调节阀通径计算导则》（以下简称《导则》）对此进行了详细论述。 《指南》是我国调节阀口径计算的准标准，非常具有权威性。它将介质流体分为不可压缩流体、可压缩流体和两相流三种类型。根据不同的介质选择不同的计算公式。 《指南》给出了详细的计算步骤，提供了各种流体介质的计算示例，甚至实现了计算机编程计算。本文将不再赘述。选择正确的计算公式，合理确定计算流量和计算压差非常重要，否则会导致调节阀口径选择不当。
4.2 确定计算流量
按调节阀通径算出的流量应为系统的最大流量Qmax，即调节阀最大开度时的流量Q100。该值由工艺设计者根据设备的生产能力、物料平衡、控制对象的极限负荷变化确定。以及预计可能扩大的产能和经营状况的变化等因素综合考虑后确定。
一般取正常工作流量的1.3～1.5倍作为计算的最大流量较为合适。如果太大，阀门口径必然选得过大，使调节阀经常工作在小开度。调节范围明显缩小，动作频繁，阀门的调节特性发生变化。严重时影响调节系统的稳定性和阀门的寿命；如果太小，瓶径将无法满足生产中的流量要求。
如果设计中必须考虑余量，阀门口径可以选稍大一些，但近期阀门开度应不小于40%～60%。分期建设的工程，不能以最终规模流量作为计算流量。因此，在设计中，应积极协助工艺合理确定计算流量，为正确计算和合理选择阀门口径创造条件。据调查，设计中选用的阀门口径大多过大，往往导致调节系统不稳定甚至失效。设计者应认真考虑并合理确定计算流量。
4.3 确定计算压差
计算调节阀口径时，需要确定最大流量时阀前压力P1和阀后压力P2，使P1-P2=△P即为计算出的压差。参数△P的选择直接影响计算结果。技术专业人士经常不经过仔细考虑就给出P1和P2。当然，这也是难以确定的参数。在设计期间，我们应该与过程专业人员积极合作，以合理地确定和计算差异压力。阀之前和之后的压力差的选择极大地影响了调节阀的工作特性。控制阀的工作特性实际上取决于控制阀的压降与管道系统的总电阻损失的比率。比率越大，阀特性越接近f理想。但是，当S值太大时，阀门将过多的电阻损失会增加能量损失。因此，确定调节阀的压降非常重要。根据不同的已知条件，有许多方法可以选择压降PV。这是一些常用的方法：
（1）根据管道系统的电阻损失比确定△PV
所谓的电阻损耗比S是阀上压降pV的总和和管道系统局部电阻部分的压降总和的比率，当调节阀完全打开时，阀的PV。数学表达：
(4-1)
整理出来后，必须计算出差异为：
(4-2)
铸造系统的所谓局部电阻部分是管道截面，肘部，T恤，手动阀，节流设备等。σ△P1通常由技术专业提供，也可以通过以下公式获得：
(4-3)
在公式中：ε是电阻系数。您可以检查管道行业的阻力系数图表；
V是流速m/s；
ρ是流体密度g/m3;
P1是电阻损失KPA。
S值的大小与调节阀的工作特性密切相关。当s = 1时，系统的总电阻损失几乎完全集中在阀上。随着s值的下降，不仅当阀完全打开时，流速不仅会降低，而且流量特性也有变化，请参阅表1。因此，在通用工程设计中，我们不希望s <0.3。公共范围为s = 0.3〜0.7，最好在0.5左右。对于具有静压波动的闭合容器的部位，考虑到系统的背压波动将直接影响阀门上的压降变化，S将进一步降低。例如，在锅炉给水自动调节系统中，计算压降△PV时，它也将系统的背压直接增加5％至10％，即：
(4-4)
关于管道系统的选择，通常将两个恒定压力点之间的管道段作为最接近调节阀前后的恒定压力点之间的一部分，用作系统管道。所谓的恒定压力点意味着此点的压力不会随着流量的变化而变化。例如，中型主管，车间主管，风扇出口等。在阀门前，阀后的炉压，喷嘴前的压力等通常没有变化。
（2）根据固定压力点的压力差选择阀的压降
在初步设计中，由于尚未明确确定过程管道，因此目前尚不知道局部电阻形式。很难根据上述公式（4-2）和（4-3）计算。但是，阀门之前和之后的恒定压力通常是确定的。
假设P1是阀门前恒定压力点处的压力，而P2是阀后恒定压力点处的压力，然后：
∑△PJ+△pv = P1- P2（4-5）
代替上述公式（5-1），我们得到：
△pv = s（p1-p2）（4-6）
（3）如果已知Prime Mover（风扇，泵等）的特性和管道系统的电阻变化特性，如图（4.1）所示。
如上图所示，可以通过F公式获得调节阀之前和之后的压降：
ΔPV= pamin-pbmax（4-7）
式中：
帕明是在给定流量下的原动机的最小压力。
PBMAX是在给定流量下的管道系统的最大压力损失。
（4）对于阀门后面需要恒定压力的系统，如果已知管道中可能的最小压力P1min和压力设置范围Ptmin〜ptmax是已知的，则建议：
ΔPV= p1min-ptmax（4-8）
（5）选择排气调节阀的压降
对于在正常情况下调节气管中的通风孔调节阀，通风孔完全关闭，并且阀前的压力为P1，与管道网络的压力相同。阀后面的压力P2是大气压。但是，在阀门完全打开后，阀后面的压力P2与放电流速有关。随着压力比P2/p1的压力比在阀后和阀门前方的压力比变化。当p2/p1 = 1时，耗散流量等于零。随着比率降低，流速增加。当达到某个所谓的临界压力比时，流速将达到最大值。当压力比继续降低时，流速将保持此最大值并且不会改变。通风阀调节阀主要用于保护设备，希望在短时间内实现最大排气量。同时，所选阀必须能够发挥调节作用，并且规模必须符合经济原则。因此，当选择计算压降ΔPV时，根据临界压力比确定它是更合理的。
对于不同气体，临界压力比具有不同的值。对于空气或双原子气体，临界压力（P2/P1）L = 0.528。有关其他气体的临界压力比，请参阅表2。
表2气体的临界压力比表
序列号
气中名称
可变性指数k
临界压力比P2/P1
单原子气体
1.667
0.498
双原子气体
1.4
0.528
原子气和过热蒸气
1.3
0.546
饱和水蒸气
1.135
0.378
根据临界压力比计算所选阀的压降，可以根据以下公式计算出：
（4-9）
目前，阀P2 = P1（P2/P1）L后面的压力用于克服排放管的电阻以及气流对大气的功率。其设备的原理如图（4-2）所示。
（6）对于现有的管道系统，如果有必要设计和安装调节阀，则在计算调节阀直径时，最好先测量最大负载。手动球阀之前和之后的压力P1和P2。压降的计算如下：
△PV= P1-P2（4-10）
以上是确定和计算差压力的几种常用方法。当然，还有其他用于确定和计算不同过程对象的差压力的方法。建议设计师参考相关书籍和期刊中的经验介绍，或根据上述情况提出推论。
在合理确定计算出的流速和差异后，必须仔细审查流体介质的某些物理性能图。选择一些辅助参数。然后按照步骤计算阀直径，以确定调节阀的选择。
5 结论
设计和控制阀的选择是一项高度技术任务。为了使设计和控制阀的选择结果满足站点的实际需求，必须完成许多深入和详细的工作。特别强调的一点是，控制阀的设计和选择不仅是自动化仪器行业的问题。设计和选择合理是否与流程专业知识有着良好的关系。因此，在设计和选择时，我们必须主动获得流程专业知识的合作，以便我们可以更好地设计。作为自动化仪器专业，有必要在工程设计中尽可能了解过程流程，掌握控制阀的各种生产过程的特定要求，判断它是否可行，并将被动设计更改为主动设计。通过科学分析，合理选择了计算参数，然后仔细设计计算并检查调节阀的选择。有时，还需要计算扭矩或推力。设计完成后，必须在施工和调试期间进行技术跟踪，并且设计选择结果是否合理，则应通过实践进行验证。我们必须与现场工人紧密整合，以了解调节阀的操作，不断地总结经验和课程，并提高我们的设计水平。
参考
1由大学的工业仪器和自动化教学和研究办公室编写。过程控制系统的讲义
2上海工业自动化工具研究所。 XI ，Xie 。调节阀直径的计算指南
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