气动调节阀的选型与计算尺寸[好文]

执行器是控制系统的终端控制元件，是重要的环节，气动调节阀在常用的执行器中约占85﹪以上。控制系统中因气动调节阀造成不能投运或运行不良者有占50﹪-60﹪以上。其中除提供的工艺参数出入较大，阀制造质量欠佳和使用不当外，选型与计算的方法不妥则是一个相当突出的因素。因此，如何合理正确地选择和计算气动调节阀就是自控设计中至关重要的问题了。

调节阀按调节仪表的控制信号，直接调节流体的流量，在控制系统中起着十分重要的作用。要根据使用条件和用途来选择调节阀。选择调节阀项目有：结构型式、公称通经、压力－温度等级、管道连接、上阀盖型式、流量特性、材料及执行机构等。深入研究各个项目和它们之间的相互关系，是极其重要的。选择调节阀必须知道控制系统的各种工艺参数，以及调节仪表、管道连接等基本条件，才能正确地选择调节阀。下面为一般选用调节阀的基本准则：(图一、图二)

调节阀的选择

选型和计算（定尺寸）是选择一个调节阀的两个重要部分。它们是不同的，然而又是互相关联的。以往，各工业部门的自控设计的选阀工作有些基本上没有考虑到它们之间的内在联系。对国内一般产品来说，用一组工艺参数计算两个不同阀型的流通能力，临界条件下的计算结果最大可相差40％以上。

不同结构的调节阀有其各自的压力恢复特性。此特性用压力恢复系数F_L或最大有效压差比X_T表示。一般的单、双座阀等属于低压力恢复阀，F_L和 X_T较大；蝶阀和球阀等属于高压力恢复阀，F_L和 X_T较小；偏心旋转阀则介于两者之间。参数F_L和 X_T的引入有助于在计算中根据已知的工艺参数来确定真正有效压差，以计算出精确的流通能力。

F_L和 X_T的数值必须在阀型选定之后才能获得，而阀型的选定不仅与流体的性状、压力、温度、腐蚀性等因素有关，并且与流通能力、可调范围、允许压差等参数有关；但是这些参数必须经计算后才能得到，而往往由于这些参数的限制又必须改选阀型；因此问题的关键就在于要设计出一套合理的方法和步骤，把选型和计算作为一个有机的整体综合起来考虑。

气动调节阀选型和计算包括以下几部分。

1. 气动调节阀的选型和选材

调节阀的选型按照工艺和自控专业提出的各项要求进行。在选型中主要考虑以下各个方面：流体的性状、静压、温度、压差、腐蚀性、对阀的泄漏要求、阀的动作方式、管道配置、以及流通能力和可调范围等。

流体腐蚀性的影响主要体现在阀体和阀芯材料的选择上。由于不能排除某些材料只许在某种特殊的阀型中使用的限制条件，因此并不是每种阀型均可任意选择材料。阀体材料的选取主要考虑流体介质的腐蚀性、静压和材料的许用温度。阀芯材料的选取主要考虑流体介质的腐蚀性、材料的许用温度，以及材料耐冲蚀的性能（即考虑液体的阻塞流，阀压差和流体的清净程度）。阻塞与否在初选时尚不能确定，需待计算后再进行校核。同时满足以上各项要求的材料方为合选者。

调节阀应具有的最低公称压力等级是选型的必要条件。它可根据流体温度，阀入口最大压力，按照初选阀体材料在一定温度条件下与许用压力的对应关系来确定。

选型，在步骤上可先以流体压力、性状和对阀的泄漏量要求作为考虑因素，规定出一些合适的阀型，然后按照这些阀型的优选次序，逐一对以上其他各种因素进行校核。流通能力与可调范围两项在初选阀型时尚未确定，需待计算出结果后，在返回进行校核。定出初选的阀型后，即得该阀型的必要计算数据，如压力恢复系数F_L、最大有效压差比X_T、层流系数F_S和可调范围R等，提供以下各项计算使用。初选阀型若不满足流通能力要求时需另选阀型，反复计算。

2. 调节阀流通能力计算和尺寸选择值

选择调节阀尺寸大小的根本依据是阀的流通能力能否满足工艺的要求。调节阀的额定流通能力和公称通径有一定的对应关系，这是有产品技术标准所规定的。由此，必须按照工艺条件和初选阀型计算出流通能力，从初选的阀型中定出合适的公称通径。

1） 调节阀流通能力的计算（现以液体加以说明）

计算公式：C_V值是用来表示调节阀的英制单位流量系数。其定义是，阀处于全开状态，两端压差为1磅/英寸²（7KPa）的条件下，60℉（15.6℃）的清水，每分钟通过阀的美加仑数。

C_V＝Q √G/P₁-P₂ ＝Q √G/△P（英制）

C_V＝1.17Q √G/P₁-P₂ ＝1.17Q √G/△P（公制）

式中：公制  Q＝最大流量           gpm（美加仑/分）

            G＝比重（水＝1）

            P₁＝进口压力          Psia（最大流量时）

P₂＝出口压力          Psia（最大流量时）

      英制  Q＝最大流量           m³/h

            G＝比重（水＝1）

            P₁＝进口压力          kgf/cm²（最大流量时）

P₂＝出口压力          kgf/cm²（最大流量时）

2）  公称通径的选择：

  调节阀公称通径选择，是由最大Cv值、最小Cv值、额定Cv值、可调范围，以及调节阀有足够的调节余量，这几个因素来决定的。

最大Cv值和最小Cv值是分别在最大流量和最小流量条件计算出的两个数值。

a) 最大Cv值

鉴于额定Cv值之有 20％、-10％的调节误差，建议等百分比阀在90-95％开度内的值作为最大Cv值，线性调节阀在80-90％开度内的值作为最大Cv值。

b) 常用Cv值

常在低开度下工作，阀芯易于磨损，再从控制性能上考虑，希望阀在50-80％开度范围工作。

c) 最小Cv值

阀的最小Cv值应在固有的可调范围之内，实际上大多调节阀控制流体时，开度变化、阀上压差也相应变化。开度与流量之间的固有流量特性，变成了实际的流量特性，可调范围也变小了。阀达到最小Cv值时，希望阀在10-20％开度上工作，如果要使阀在最小的开度范围内工作，应选择可调范围较大的调节阀，或者改用一台大，一台小的切换阀，用这两台阀分程控制流量。  

3） 调节阀可调范围的验算

    为了保证调节阀在工艺要求的最大到最小流量的整个范围内满意地调节，就必须进一步验算可调范围R。以往有用规定最小流量时的调节阀开度极限作为指标进行校验的，但这种做法并不十分合适。应采用以最小流量计算所得的最小Cv值作为校验指标才为合理，如果最小Cv值满足条件Cv min≥2Cv/R，说明所选阀门满足了可调范围的要求，否则此阀应慎用或采用分程控制。

3. 调节阀流量特性选择

调节阀的流量特性分固有特性和工作特性两种。对调节系统有影响的是工作特性。阀本身只具备固有特性（在阀两端压差不变的情况下，不可压缩流体通过调节阀的流量与开度之间的关系）。而工作特性是由阀的固有特性结合管路系统阻力情况得到的。因此，先按调节系统要求确定所需的工作流量特性，然后再确定与其相应的固有流量特性。典型的固有流量特性有线性特性和等百分比特性。

选择基本原则：

1) 线性流量特性

a) 压差变化小，几乎恒定。

b) 整个系统的压力损失大部分分配在阀上（开度变化，阀上压差变化相对较小）。

c) 外部干扰小，给定值变化小（可调范围要求小的场合）。

d) 工艺流程的主要参数的变化呈线性。

2） 等百分比流量特性

a) 要求大的可调范围。

b) 管道系统压力损失大。

c) 开度变化，阀上压差变化相对较大。

选型与计算还包括有：阀体材料、阀芯材料、阀门定位器、最大开度、最小开度、噪声值和备注等等，在这里就不一一介绍了。