控制阀压差的确定

在工艺系统中控制阀是最重要的控制元件。

从自动控制的角度来讲，控制阀应该具有较大的压差。

从工艺系统的角度来讲，控制阀应该具有较小的压差。

正确合理地确定控制阀的压差就是要解决好上述两方面的矛盾，控制阀既能满足控制要求，又经济合理。

控制阀的有关概念：

1) 控制阀的工作原理

Q=C[(P1-P2)/r] ^(1/2)

C- 即仪表专业选阀时用到的一个重要参数，称为控制阀的流通能力。其定义为控制阀全开，控制阀两端压差为1kg/cm ² 时，流经控制阀介质密度为1g/cm ³ 流体的流量。

2) 控制阀的理想流量特性

Q/Q _max =f(l/l _max )

如图1所示，只以控制阀进出口为研究对象（注意无其他阻力元件），使控制阀压差为定值时，得到的流量特性为理想流量特性。

理想流量特性众多，对四种理想流量特性进行了重点研究。

- 直线流量特性：

当控制阀单位相对开度变化引起的相对流量变化是一个常数时，控制阀具有直线流量特性。

d(Q/Q _max )=kd(l/l _max )

通过积分代入边界条件得出：

Q/Q _max =1/R[1+(R-1) l/l _max ]

R 称为可调比，即控制阀可以调节的最大流量 Q _max 和可以调节的最小流量Q _min 的比值。Q _min 不是控制阀关闭的泄漏量，它是可调流量的下限值，当流量低于此值时，控制阀无法保证调节精度。一般Q _min =(2-4%)Q _max ，即R=25-50，而泄漏量仅为(0.1-0.01%)Q _max 。

直线流量特性的控制阀，其开度变化相同时，流量变化也是相同的。一般控制阀，理想可调比R=30时，直线流量特性控制阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图2中的直线(1)所示。

- 等百分比流量特性：

当控制阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比时，称控制阀具有等百分比流量特性。

d(Q/Q _max )=k Q/Q _max d(l/l _max )

通过积分代入边界条件得出：Q/Q _max =R ^(1/1max-1)

等百分比流量特性的控制阀，其开度变化百分比相同时，流量变化百分比也相同。对于一般控制阀，理想可调比R=30时，等百分比流量特性控制阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图2中的曲线(2)所示。

- 快开流量特性：

当控制阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成反比时，称控制阀具有快开流量特性。

d(Q/Q _max )=k(Q/Q _max ) ^-1 d(I/I _max )

通过积分代入边界条件得出：Q/Q _max =1/R[1+(R ² -1)I/I _max ] ^0.5

快开流量特性的控制阀，开度较小时，对应流量就比较大，在其开度范围内，随着开度增加，流量很快达到最大，开度再增加时，流量变化幅度很小以至于不变。对于一般控制阀，理想可调比R=30时，快开流量特性控制阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图2中的曲线(3)所示。

- 抛物线流量特性：

当控制阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点相对流量的平方根成正比时，称控制阀具有抛物线流量特性。

d(Q/Q _max )=k(Q/Q _max ) ^0.5 d(I/I _max )

通过积分代入边界条件得出：Q/Q _max =1/R[1+(R ^0.5 -1)I/I _max ] ²

抛物线流量特性的控制阀，其开度变化时，流量介于直线流量特性和等百分比流量特性之间变化。对于一般控制阀，理想可调比R=30时，抛物线流量特性控制阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图2中的曲线(4)所示。

几种流量特性的比较：

直线流量特性，相同的开度变化，流量变化ΔQ是相同的，那么在小流量时，ΔQ/Q操作点大，操作很灵敏不易控制；大流量时，ΔQ/Q操作点小，操作平稳易于控制。因此，直线流量特性控制阀适合于负荷变化小的场合。

对于等百分比流量特性，相同的开度变化，小开度时流量变化ΔQ小；大开度时流量变化ΔQ大。因此，等百分比流量特性控制阀适合于负荷变化大的场合。

对于快开流量特性，随开度变大，流量很快达到最大，开度再增加时，流量变化幅度很小以至于不变。因此，快开流量特性控制阀不适合于调节流量，但适合于在双位控制或程控场合中使用。

抛物线流量特性，其特性曲线介于直线流量特性和等百分比流量特性之间，而且接近于等百分比流量特性。因此常用等百分比流量特性控制阀来代替抛物线流量特性控制阀。

所以，我们经常用到的是直线流量特性控制阀和等百分比流量特性控制阀。

上述特性说明了为什么需要给出Q _min 、Q _nor 、Q _max 的原因，它是仪表专业确定控制阀特性的依据。

3) 控制阀的实际流量特性

由于控制阀都是安装在管路上如图3所示，在系统总压降一定的情况下，当流量发生变化时，管路压降在变化，控制阀压差也在发生变化。因此控制阀压差变化时，得到的流量特性为实际流量特性。

—串联管路控制阀的实际流量特性：

对调节来说：Q/Q _max =f(I/I _max )

Q _max =C _qk (△P ₁ /r) ^0.5    (1)

则：Q=C _qk f(I/I _max )(△P ₁ /r) ^0.5    (2)

对管路来说：Q=Cg(△P ₂ /r) ^0.5    (3)

则：Q=C _qk f(I/I _max )(△P ₁ /r) ^0.5 =Cg(△P ₂ /r) ^0.5

△P ₂ =C _qk ² /C _g ² f ² (l/l _max )△P ₁

△P=△P ₁ +△P ₂

△P ₁ /△P=1/[1+ C _qk ² /C _g ² f ² (I/I _max )]   (4)

—串联管路控制阀的实际流量特性

当控制阀全开时，控制阀上有最小压差，设最小压差为ΔP1m。由于控制阀全开，此时有：

f (l/l _max ) =1

△P _1m /△P=1/（1+C _q ^k2 /C _g ² ）

C _qk ² /C _g ² =△P/△P _1m –1

令△P _1m /△P =S

C _qk ² /C _g ² = 1/S–1

S 为控制阀全开时，控制阀的压差与系统总压差的比值，称为控制阀的阻比，有的资料上称之为控制阀的阀权度。

△P ₁ /△P=1/[1+(1/S-1)f ² (l/l _max )]      (5)

—串联管路控制阀的实际流量特性

对于图3的系统，当△P ₂ =0时，控制阀有：

Q _max =C _qk (△P/r) ^0.5     (6)

(2)/(6) 有：

Q/Q _max =f(l/l _max )(△P1/ △P) ^0.5   (7)

将(5)代入(7)有：

Q/Q _max =f(l/l _max ){1/[1+(1/S-1)f ² (l/lmax)]} ^0.5    (8)

(8) 式即为控制阀的实际流量与理想最大流量参比关系。对于R=30的控制阀，当控制阀阻比发生变化时，其关系曲线如图4所示。

—串联管路控制阀的实际流量特性：

—串联管路控制阀的实际流量特性

对于图3的系统，当△P ₁ =△P _1m 时，控制阀全开有：

Q ₁₀₀ =C _qk (△P _1m /r) ^0.5    (9)

(2)/(9) 有：

Q/Q _max =f(l/l _max )(△P ₁ /△P _1m ) ^0.5 =f(l/l _max ) S ^0.5 (△P ₁ /△P) ^0.5 将(5)代入上式有：

Q/Q _max =f(l/l _max ){1/[S+(1-S)f ² (l/lmax)]} ^0.5 (10)

(10) 式即为控制阀的实际流量特性，它不但和控制阀的相对开度有关，而且与控制阀的阻比S有关。对于安装在实际管路中R=30的控制阀，当控制阀阻比发生变化时，其实际性能曲线的变化趋势如图5所示。

从图4和图5可见：

当控制阀阻比S=1时，即管道阻力为零，系统的总压降全部落在控制阀上，此时实际流量特性和理想流量特性是一致的。

随着控制阀阻比S的减小，即管道阻力增加，控制阀最大流量比管道阻力为零时理想最大流量要小，可调比在缩小。

随着控制阀阻比S的减小，实际流量特性偏离理想流量特性，S越小偏离程度越大。

从图4可见，随着控制阀阻比S的减小，直线流量特性趋向于快开流量特性，等百分比冷量特性趋向于直线流量特性。而且随着控制阀阻比S的减小，可调最小流量在升高，可调比在缩小。

因此，随着控制阀阻比S的减小，实际流量曲线偏离理想流量曲线，可调比在缩小，可调节范围在变窄。反之则说明，为了保证控制阀具有较好的调节性能，控制阀要求有一定的压差。在实际应用中，为保证控制阀具有较好的调节性能，避免控制阀实际特性发生畸变，一般希望控制阀阻比S≥0.3。

根据图5和试验测试，控制阀阻比S对控制阀特性的影响结果如下表所示：

结论：综合兼顾控制和工艺两方面要求，一般S=0.3-0.5。特殊情况下：

高压减至低压时，S很容易在0.5以上。虽然S越大越好，但有时压差很大，容易造成控制阀冲蚀或流体已呈阻塞流，此时可在控制阀前增设减压孔板，使部分压差消耗在孔板上。孔板上分担的压差可和自控专业协商确定。

稍高压力减至低压或物料自流的场合，要使S在0.3以上有时有困难。此时可想办法降低管路阻力，如：放大管径、改变设备布置以缩短管道长度或增加位差、减少弯头等措施，一定要确保S≥0.3。

低压经由泵至高压的场合，为了降低能耗，要求至少S≥0.15。但为获得较好的控制阀品质，建议S≥0.3。

气体管路由于阻力降很小，S很容易在0.5以上。但在低压和真空系统中，由于容许压力降较小，要求S≥0.15。

—并联管路控制阀的实际流量特性：

如图6所示的控制阀与管路并联的系统，压差ΔP为定值。

阻比x=Q _1max /Q _max

对于不同的x，实际性能曲线的变化趋势如图7所示。

结论：

当x=1时，即旁路关闭，实际流量特性和理想流量特性是一致的。

随着x逐渐减小，即旁路逐渐开大，通过旁路的流量逐渐增加，实际流量特性起点在上移，可调比在缩小，但流量特性曲线形状基本不变。

在实际应用中，为保证控制阀有一定的可调比，即具有比较好的调节性能，一般希望控制阀阻比 x≥0.5,最好x≥0.8。

这种控制阀和管路并联的情况在实际工程中并不多见，但对于一些需要保持系统有一个最低流量，负荷变化不大（即调节比较小）的场合，为防止仪表故障时最低流量得不到保证，可以采用控制阀和管路并联。另外，当所选的控制阀偏小，作为一种补救措施；或者装置有扩容能力，但控制阀已不能满足要求时。可将控制阀的旁路稍开，使控制阀达到所期望的调节目的。此时，先关闭控制阀主管路，通过阀后总管上的流量计来标定旁路阀的开度。

4) 控制阀的可调比

理想可调比R：

可调比R为控制阀可以调节的最大流量 Q _max 和可以调节的最小流量Q _min 的比值。即：R=Q _max /Q _min

串联管路的实际可调比R _S

RS≈R(S) ^0.5

串联管路控制阀的实际可调比R _S 与理想可调比R和阻比S有关。阻比S越小，实际可调比越小。因此，为保证一定的可调比，控制阀的阻比S要适当，不能使阻比S过小。

国产的控制阀，理想可调比R=30。但考虑到选用控制阀时圆整口径以及对C值的圆整和放大，一般取R=10。即使如此，在控制阀与管路串联的系统中，当S=0.3时，R _S 仍为5.4。而一般工艺过程中，Q _min =30%Q _nor ，Q _max =125%Q _no r，R _S 不过4.16。因此，只要S≥0.3是可以满足要求的，只要阻比S不是太小或对可调比要求太高，可不必验算实际可调比。

当要求的可调比较大时，控制阀满足不了工艺要求，此时，可采用提高控制阀阻比S，或采用大小两个控制阀并联工作的分程调节系统。

并联管路的实际可调比 Rs：

R _S ≈Q _max /Q ₂

并联管路控制阀的实际可调比R _S 与控制阀的理想可调比R无关，只和总管最大流量与旁路流量有关。

控制阀压差的确定：

我们经常遇到的是如图8所示处于串联管路中的控制阀。通过前面对控制阀实际特性和可调比等的演算和分析，可以看出影响控制阀调节性能的关键参数是控制阀全开通过最大流量时，控制阀前后的最小压差ΔP _1m 。所以ΔP _1m 即为我们要确定的控制阀压差。

流体自1-1到2-2截面间的能量守恒关系式为：

P _a +h= h _f +ΔP _1m +P _b

ΔP _1m = P _a +h-P _b -h _f   (11)

由控制阀阻比的定义及S=0.3∽0.5得：

S=ΔP _1m /(h _f +ΔP _1m )=0.3∽0.5       (12)

由式（12）可以计算出ΔP _1m =0.429∽1.0h _f 。

即控制阀的压差应为管路阻力降的0.429到1.0倍。

式（11）和式（12）就是控制阀压差的计算公式及核算式。用法为先由式（11）计算出控制阀的压差，再由式（12）进行核算。只有同时满足式（11）和式（12）的要求时，计算出的控制阀压差才可以作为控制阀的选型依据。

如何计算出管道阻力降h _f ？

首先根据工艺流程图和控制要求规划出控制阀的大致位置；

结合设备布置图及接管标高构想出管系的走向图（工艺专业应该学会绘制管系图）；

根据管系图进行水力学计算求出管道阻力降h _f ；

管道专业的配管图应尽量接近先前构想的管系图；

为了安全起见，计算出的管道阻力降应考虑15∽20%的裕量。对于低压系统和高粘度物料，配管草图出来以后要对管道阻力降进行核算，因为这样的管线长度和弯头数量变化对管道阻力降的影响比较大。发现控制阀压差确定的有问题，应及时进行调整。

常见工况的处理方法：

低压经由泵至高压的工况

ΔP _1m =S/（1-S）h _f

H=P _b -P _a +h+h _f +ΔP _1m

在这种场合下，为了降低能耗，控制阀的阻比可以要求为S≥0.15。但当流量小、扬程低，泵的轴功率较小时，为获得较好的控制阀品质，建议S≥0.3。同时，由于根据泵样本选的泵扬程一般比所需扬程要高，当出现这种情况时，应先定出泵的扬程，扣除扬程裕量后，再反算控制阀压差。

常见工况的处理方法：

工艺条件有波动的工况：

一般来说，工艺条件是相对稳定的，它容许在一定的范围内波动。如图9所示， 由于P _a 、P _b 及前后设备的液位可能出现最高、正常和最低值，这样就可能出现多种操作条件。但仔细研究可以发现，当P _a 最小、前设备液位最低，而P _b 最大、后设备液位最高时，控制阀压差最小，所需泵扬程最高。此时应在这种条件下确定控制阀压差和泵的扬程。

又比如说锅炉给水系统的控制阀，因为锅炉产汽压力经常波动，会影响到控制阀阻比下降，此时在考虑控制阀压差时应增加系统设备静压的5~10%作为控制阀压差的裕量，即用下式进行控制阀阻比的核算。                    

S=[ΔP _1m - （0.05∽0.1)(P _a -P _b ）]/(h _f +ΔP _1m )=0.3∽0.5

即：ΔP _1m =S/(1-S)h _f +1/(1-s)(0.05∽0.1)(P _a -P _b ）

高压减至低压的工况：

这种工况时，控制阀阻比S一般很大。虽然S越大越好，但有时压差很大，容易造成控制阀冲蚀或流体已呈阻塞流，此时可在控制阀前增设减压孔板，使部分压差消耗在孔板上。孔板上分担的压差可和自控专业协商确定，以控制阀压差不高于控制阀的容许压差为宜。

稍高压力减至低压或物料自流的工况：

这种工况时，满足式（11）的控制阀压差，可能满足不了式（12）的要求。此时可想办法降低管路阻力，如：放大管径、改变设备布置以缩短管道长度或增加位差、减少局部阻力降等措施，一定要确保S≥0.3。

输送气体介质的工况：

气体管路由于阻力降很小，控制阀阻比S一般都很大。例如，热媒为饱和蒸汽的加热器，其进口蒸汽管线上的控制阀，为了避免蒸汽能量过多地损耗在控制阀上，也为了避免蒸汽过热度太高影响传热效果，一般凭经验取控制阀压差ΔP _1m =0.01∽0.02MPa。虽然压差不大，但由于控制阀前后管路上阻力降很小，控制阀阻比S还是可以满足调节要求的。当蒸汽压力较高，而需要在较低压力下冷凝时，可取90%的蒸汽压力减去冷凝压力为控制阀的压差，但为防止压差过大引起的系统震动，要求控制阀压差≤1/2蒸汽压力。对于低压和真空系统，由于管路容许压力降较小，要求S≥0.15。

强调一点：

控制阀压差ΔP _1m 对应的是通过控制阀的最大流量Q _max 。当工艺过程对最大流量有要求时，通过控制阀的最大流量Q _max 应为工艺过程可能出现的最大流量；当工艺过程对最大流量没有要求时，通过控制阀的最大流量Q _max 应为正常流量的1.25倍。

例1：由于泵出口分成了两条管路，首先泵的扬程必须同时满足两条管路的输送要求，因此根据系统计算结果要采用两个扬程中的高扬程者。其次两条管路虽有联系，但为了保证调节效果，应将其看成独立的两个系统，自起点设备开始来分别核算控制阀的阻比S，使S值皆≥0.3。

例2：这是同一管路上有两套调节回路的情况，这种调节系统由于2台控制阀会相互影响，一般不采用，因此工艺流程设计时应该尽量避免同一管系出现2个调节回路的情况。避免不了时，为了保证两台控制阀皆能起到很好的调节作用，核算一台控制阀时，应将另外一台控制阀视为阻力元件，将其阻力降纳入管路总阻力降中，来分别核算控制阀的阻比S，使S值皆≥0.3。

例3：这是物料呈自流的情况，由于接收容器为间歇操作，应用其可能出现的最高液位来计算控制阀压差。为了保证控制阀能起到很好的调节效果，应使控制阀的阻比S≥0.3。

总结：

通过阻比来确定控制阀的压差。

通过构想的管段图来计算管系的阻力降。

本文素材来源于互联网，暖通南社整理编辑于2021年3月29日。