选型原则调节阀.docx

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选型原则调节阀

调节阀选型原则

自动控制系统是通过执行器对被控对象进行作用的。

调节阀是生产过程自动化控制系统中常见的一种执行器。

调节阀直接与流体接触控制流体的压力或流量。

正确选取调节阀的结构型式、流量特性、流通能力；正确选取执行机构的输出力矩或推力与行程对于自动控制系统的稳定性起着十分重要的作用。

如果计算错误，选择不当，将直接影响控制系统的性能，使得自动控制系统产生震荡甚至不能正常运行。

因此，在自动控制系统的设计过程中，调节阀的设计选型计算是必须认真考虑的重要环节。

1调节阀结构形式的选择

常用的调节阀结构形式有直通单座阀、直通双座阀、套筒阀、偏心旋转阀、蝶阀、全功能超轻型调节阀、球阀，应当根据不同的使用情况，结合不同结构形式阀门各自的特点，从调节性能、适用温度、适用口径、耐压、适用介质条件、切断差压、泄流量、压力损失、重量、外观、成本等方面对调节阀的结构形式进行选择。

结构类型

流量调节性能

适用温度

适用口径

适用压力等级

适用介质情况

压力损失

耐受差压及密封性

外观、尺寸、重量、价格

全功能超轻型调节阀

调节性能好，其流量特性曲线接近等百分比特性，也可做成直线特性；调节精度高，R=100～200，是蝶阀、球阀、单座阀、双座阀、套筒阀的3～7倍；小开度调节性能好，小流量微调功能强；流通能力是单座阀、双座阀、套筒阀的2～3倍；调节速度快

全功能调节阀的温度适应范围较宽，

-60℃～600℃

其适用口径范围在

20mm至400mm

超轻型全功能调节阀可以承受较高的管道介质压力，其公称压力值可以达到32Mpa

全功能超轻型调节阀具有极好的抗腐蚀和抗冲蚀功能，可适用于各种气体及液体介质

相对于其他调节阀，全功能调节阀的压力损失较大

其耐受阀门前后差压值较大，可以接近其公称压力PN的水平，Δp≤PN；

密闭性好，泄流量极小，约为1×10-6～1×10-7倍的C值

重量轻、尺寸小，结构紧凑、重量轻、外型美观、性能稳定可靠，

具有蝶阀、球阀、偏心旋转阀的共同优点

蝶阀

三偏心蝶阀具有等百分比的调节特性，调节死区特性好，调节精度高，可调比可以达到100左右，调节速度快，适于对管路流量进行调节。

但在小开度下流量调节性能较差，不适于用做小流量的微调节

蝶阀一般不适于用在高温的场合，其使用温度一般在80℃以下

蝶阀的使用口径范围可从50mm到2200mm，一般在口径较大的场合（DN≥600mm），宜采用蝶阀

蝶阀一般不用于高压管路之中，其一般用于压力小于1.0MPa的管路之中

适用于水、油、压缩空气、蒸汽、含固体颗粒的介质如污水等

蝶阀相对于闸阀、球阀压力损失比较大，故蝶阀适用于压力损失要求不严的管路系统中

蝶阀耐受的截断差压值较低，不适用于高压截断的情况

重量轻、尺寸小、成本较低

球阀

V形球阀的流量特性曲线近似对数型，流量调节性能较好，小开度下调节性能较好，可实现小流量下的微调功能；

O型球阀可调比R的范围为：

100-200

V型球阀可调比R的范围为

200-300

球阀一般适用于低温介质，在温度小于160℃的情况下使用

球阀的公称通径范围可从8mm到1200mm

球阀适用于压力较高的场合，从真空到40MPa都可以选用球阀

对于粘度较大的介质，适宜使用球阀。

球阀是石油和天然气的理想阀门，并可用于带固体颗粒的介质，是自洁性能最好的阀门

球阀全开时具有最小的流体阻力，且密封性能良好

球阀可以承受较高的截断差压，适用于高压截断的情况，泄流量小，密封性能较好

可靠性差、体积较大、结构笨重、成本较高

套筒阀

调节稳定性好，调节精度较高，可调比R值在50左右；

其可选公称通径从15mm到250mm

套筒式调节阀可承受的最大介质压力从1.0Mpa到40Mpa左右

对于不干净介质和易结晶、结巴、结垢介质不应选用此阀

套筒调节阀可承受较大的阀门前后差压值，相同配置的条件下，其承受差压值为为单座调节阀的2倍；但套筒式调节阀的泄流量较大

体积较大，结构笨重

直通单座阀

直通单座阀的调节精度较高，

其公称通径可在20mm到200mm的范围内进行选择，高压差、大口径的应用场合，不宜采用

单座调节阀的使用压力范围一般在1.6Mpa到6.4Mpa之间

不适用于含固体颗粒、含纤维介质和高黏度流体的控制

直通单座阀可承受的阀前后差压值较小，DN100单座调节阀的允许压差仅120kPa，但密闭性较好，泄流量小，标准泄漏量为0.01%C

体积大、结构笨重

直通双座阀

流通能力强，相同口径下，其流通能力比单座调节阀强20%～50%

不适用于含固体颗粒、含纤维介质和高黏度流体的控制

直通双座调节阀可以承受较高的阀前后差压值，DN100双座调节阀允许压差280kPa，密闭性较差，泄流量较大，标准泄漏量为0.1%C

体积大，结构笨重

偏心旋转阀

可调比R值可以达到100左右；其流量特性曲线为近似直线型，配备阀门定位器后可以做成直线型和等百分比型，小流量时具有较好的微调特性。

对于金属阀座调节阀，其使用温度范围为-195℃到400℃；

对于软阀座，其使用温度范围约为-73℃到200℃

其公称通径范围较宽，约为25mm至300mm左右

其公称压力值可以从1.6Mpa到10Mpa左右

适用于粘度较大的介质，并可用于带固体颗粒杂质的介质，是自洁性能较好的阀门

偏心旋转阀是一种压力损失较小的阀门，其处于全开位置时，流通截面面积基本上等于其安装管道的截面积

偏心旋转阀可以承受较高的截断差压，适用于高压截断的情况，泄流量小，密封性能较好

体积较大，结构笨重

对调节阀进行结构的选择时，要根据相应的管路及介质条件，按照如下优选顺序进行选择

①全功能超轻型调节阀→②蝶阀→③套筒阀→④单座阀→⑤双座阀→⑥偏心旋转阀→⑦球阀，只有当前一优选级别的阀门再某一方面不合适时，才考虑选择下一级类型的阀门。

2调节阀执行机构的选择

2.1调节阀执行机构的分类

1、执行机构按所使用能源的不同，可分为气动、电动和液动三类：

气动类执行机构具有价格低、结构简单、性能稳定、维护方便和本质安全性等特点，因此在需要考虑防爆处理的场合应用应用十分广泛。

电动类执行机构可直接连接电动仪表或计算机，不需要电气转换环节，但价格昂贵、结构复杂，应用时需考虑防爆等问题，一般在无可燃气体，不需要考虑防爆处理的场合下使用。

液动类执行机构具有推力（或推力矩）大的优点，但装置的体积大，流路复杂，通常采用电液组合的方式应用于要求大推力（力矩）的应用场合。

2、按执行机构输出位移的类型，执行机构分为直行程执行机构、角行程执行机构和多转式执行机构直行程执行机构输出直线位移。

角行程执行机构输出角位移，角位移小于360°例如，转动角度为90°或60°蝶阀的执行机构。

多转式执行机构与角行程执行机构类似，但转动的角

注：

关于调节阀的调节特性的评定

调节阀的流量调节性能一般通过流量特性、可调比、小开度工作性能、Kv值和动作速度进行综合评价。

调节性能以其流量特性曲线进行衡定，一般认为等百分比特性为最优，其调节稳定，调节性能好，最利于流量压力调节。

而抛物线特性又比线性特性的调节性能好，快开特性为最不利于流量调节的流量特性。

因此在选用调节阀时，一般希望调节阀流量特性曲线为等百分比型。

可调比反映了调节阀的可调节流量范围，调节阀的可调比就是调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比。

可调比也称可调范围，以R来表示，即R=Qmax/Qmin，Qmax为调节阀的最大可控流量，Qmin为调节阀的最小可控流量。

一般认为R的值越大，则调节阀的可调节范围越。

此外，对调节阀的调节性能进行评价时，还应当对其小流量下的调节能力、流通能力、调节速度进行考察

位移可以达多圈。

3、按执行机构输入信号的类型，执行机构分为模拟式执行机构和数字式执行机构。

模拟式执行机构接收模拟信号，例如4～20mA的标准电流信号等。

数字式执行机构接收数字信号，通常是一串二进制信号，用于开闭相应的数字阀。

2.2调节阀执行机构的选择方法

2.2.1执行机构选择的主要考虑因素执行机构选择的主要考虑因素是：

①可靠性；②经济性；③动作平稳、足够的输出力；④重量外观；⑤结构简单、维护方便。

2.2.2电动执行机构与气动执行机构的选择比较1）可靠性方面气动执行机构简单可靠，在可靠性上，气动执行机构略优于电动执行机构。

而电动执行机构可直接连接电动仪表或计算机，不需要电气转换环节，可通过4-20mA模拟信号或数字信号进行开度的调节。

2）驱动源气动执行机构需另设置气源站，而电动调节阀的驱动源随地可取。

3）价格方面气动执行机构必须附加调节阀定位器，再加上气源，其费用与电动调节阀大致相当

4）推力和刚度在推力上，气动执行机构和电动执行机构大致相当

5）防火防爆气动执行机构在防火和防爆方面要优于电动执行机构，因此在存在可燃性危险气体的场合，一般要首先考虑选用气动执行机构。

2.2.3调节阀执行机构的确定

装置实验管路环境无可燃性危险气体，而且希望采用工控机输出4-20mA电流的方式对调节阀的开度值进行控制，因此选择电动执行机构，要求阀门的开度能够随工控机输出电流的增大而增大，随输出电流的减小而减小。

此外调节阀的死区特性是影响调节阀调节性能的重要因素。

死区特性指的就是当阀门的输入信号发生正反方向的变化时，执行机构并未产生相应的动作，而当输入信号继续增大到一定值之后，执行机构才产生相应的动作，但此时执行器的动作往往过位而导致过量偏差。

调节阀死区特性的计算可表示为

调节器行程

控制器输出

（mA）

反行程

正行程

正行程死区反行程死区

⨯100%

SI---------使调节阀执行机构发生动作的输入电流值

OI---------调节阀的起始输入电流值

LI---------调节阀输入电流值得范围

为提高实验管路的流量压力调节能力，要求阀门组件的总的死区应该等于或小于

1%（对于4-20mA电流控制的阀门，要求其电动执行器能够对0.16mA的电流值该变

量做出反应动作），理想地，应该低到0.25%（对于4-20mA电流控制的阀门，要求

其电动执行器能够对0.04mA的电流值该变量做出反应动作）

3调节阀流量特性的选择

调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀相对开度之间的函

数关系，其数学表达式为

（）

maxmaxL

Q---------调节阀某一开度下的流量值

maxQ-------调节阀全开时的流量值

L---------调节阀某一开度下的形程

maxL--------调节阀全开时的行程值

调节阀流量特性分固有特性和工作特性两种。

固有特性又称调节阀的结构特性，是由

生产厂制造时决定的，其特性曲线的测定是在阀门前后差压保持不变的条件下测定的。

但

调节阀在工作管路中使用时，由于管路系统阻力分配情况随流量变化，调节阀的前后差压

也发生变化，这样就使调节阀的流量特性曲线相对于其固有特性曲线发生了畸变，此时的

流量特性即为调节阀的工作流量特性。

调节阀常见的流量特性曲线有快开、等百分比、直

线三种形式。

相对流量值%

相对开度值%

100%

等百分比

直线

快开

3.1调节阀固有流量特性曲线及其特点

流量特性

曲线性质（令

maxQ

F=,

maxL

S=）

流量特性说明备注

快开

dF1

=,其中k为常数，

边界条件：

S=0,F=Fmin;S=1,F=Fmax

解微分方程可得

（1）

12=+-，

其中

min

max

当在阀门的相对开度值为20%时，其相对流量值就已经达到80%

左右。

在小开度时，阀门的灵敏度高，放大系数大；而在大开度

时，其灵敏度低，放大系数小。

具有开则快、关则慢的流量特性，

不易引起管路内大的压力波动，一般用于快速切断的情况，在对

流量及压力进行精确调节的场合，不宜采用具有快开特性的阀

门。

直线阀门的相对节流面积与阀门相对开度呈直线关系

=,其中k为常数，

边界条件：

S=0,F=Fmin;S=1,F=Fmax

解微分方程可得

1-1

=+，

其中

min

max

由k

=可得，

kdS

=，当dS为固定值时，其流量值

的相对变化量将随开度变化之前的流量值变大而减小。

阀门单位开度变化所引起的流量变化量为一个固定值，则其流量

值的相对变化量则随着流量值的增大而减小。

阀门在小开度工作

时，其流量相对变化值较大，调节作用过强，易产生超调及震荡；

而在大开度时流量相对变化较小，调节能力较弱，及时性较差。

等百分比阀门的相对节流面积与阀门相对开度呈对数关系

=,其中k为常数，

边界条件：

S=0,F=Fmin;S=1,F=Fmax

解微分方程可得

-1=SFR，

其中

min

max

由kF

=可得kdS

=，当dS为固定值时，流量值的

相对变化量

即为固定值，也就是说阀门单位开度变化所引起

流量的变化与开度变化前的流量值成正比，而流量相对变化的百

分比总是相等的。

调节阀的放大系数随阀门开度的增加而增加，在小开度时流量值

较小，调节阀放大系数较小，单位开度变化所引起的流量变化量

也小，调节平稳缓和；大开度时流量值较大，调节阀放大系数较

大，单位开度变化所引起的流量变化量也大，调节灵敏有效。

3.2调节阀工作流量特性曲线

在实际的工艺装置中，调节阀安装在工艺管道系统中，由于除调节阀以外的管道、装置、

设备等存在阻力损失，而且该阻力损失随通过管道的流量呈平方变化关系，当系统两端的差

压∆P一定时，流量值越大，则除调节阀之外的阻力损失也就越大，调节阀上的差压值V∆P就

会随流量的增加而减小，这个差压的变化也会引起通过调节阀的流量值相对于差压不变的情

况相应开度下的流量值有所减小，造成调节阀的流量特性曲线发生下移。

因此调节阀实际工

作中的流量特性曲线会相对于其理想特性曲线产生一定的畸变。

调节阀其它阻力部件

ΔPvΣΔPi

ΔP

ΔPsΔPvΔPvmin

ΣΔPi

ΣΔPimax

调节阀工作特性的畸变程度，可以通过阀阻比S值进行衡量，其中S值的定义式为

∆+∑∆

∆

minmax

min

式中，Vmin∆P为调节阀调至最大开度，管路中流量达到最大之时，调节阀前后的差压值。

∑∆maxiP

为调节阀调至最大开度时，管路系统的总压降。

在一个由调节阀及其它阻力部件所

构成的管路系统中，阀阻比S的值越大，则说明调节阀的压降占整个系统比重越大，调节阀

控流能力越大反之S值越小，则说明调节阀的压降占整个系统的比重越小，调节阀的控制能

力越差，将产生两个不利的后果：

一是调节阀的流量特性发生越来越大的畸变，使直线特性渐渐趋于快开特性，使等百分比特

性渐渐趋于直线特性，这样一来使小开度时放大系数增加、大开度时放大系数减小，造成小

开度时控制不稳定和大开度时控制迟钝。

二是调节阀的可调节阀的可调范围随之减小，实际

可调比R'随S减小而减小。

因此在实际使用中，通常要求S值不低于0.3~0.5。

3.3调节阀工作流量特性的经验性选择方法

（1）快开特性一般用于开关控制和两位式调节（在阀门的两个开度之间切换调节），在

对流量进行连续调节的场合，一般不会选用快开特性。

因此控制系统中调节阀流量

特性的选择其实就是等百分比特性和线性特性的选择。

（2）在对流量、温度、压力（尤其是在阀前后压力存在较大波动或阀后直管线短于3米

的气体压力自动调节系统中）进行自动调节控制的场合，应当采用等百分比特性；

当调节阀经常工作在小开度时，应当选用等百分比特性；

对蒸汽压力、流量进行调节时，宜采用等百分比特性调节阀。

（3）手动流量调节控制中，一般选用线性特性；

液位自动调节控制系统一般选用线性特性；

两个调节阀并联使用的情况下，适宜采用线性特性；

在水泵最小流量保护时，适宜采用线性特性；

压缩机反喘振时，宜采用线性特性

3.4根据希望的工作流量特性及阀阻比选择相应的理想流量特性调节阀

首先对阀阻比进行估算，而后根据阀阻比的值选择相应的理想流量特性的调节阀。

（1）当阀阻比介于0.6和1之间时，可以按照所希望的工作流量特性选择理想流量特

性阀门

（2）当阀阻比介于0.1和0.6之间时，一般均选用理想流量特性为等百分比的调节阀

3.5调节阀工作流量特性的确定

装置的自动调节控制对象为实验管路内饱和蒸汽的流量值及其压力值，因此选用等百分

比特性调节阀。

调节阀的放大系数随阀门开度的增加而增加，在小开度时流量值较小，调节

阀放大系数较小，单位开度变化所引起的流量变化量也小，调节平稳缓和；大开度时流量值

较大，调节阀放大系数较大，单位开度变化所引起的流量变化量也大，调节灵敏有效。

4调节阀口径的计算与选择

一般情况下，所选用调节阀的最佳口径值并一定是安装管道的口径值，直接按照调节阀

所在连接管道的口径选取调节阀的口径是不合理的。

4.1计算流量的确定

根据装置的工作状况，决定调节阀最大计算流量maxQ和最小计算流量minQ。

取原实验管

路中稳态的最大流量的1.15～1.5倍作为调节阀的最大计算流量maxQ；取原实验管路的稳态

的最小流量的0.87～0.67倍作为调节阀的最小计算流量minQ。

4.2计算压差的决定

进行调节阀口径计算时要首先确定最大流量时（调节阀全开）阀前压力与阀后压力的差

值∆PV，即计算差压。

合理确定计算差压极大地影响调节阀的工作特性。

调节阀的工作特性

实际上取决于调节阀的压降与管路系统总阻力损失的比值，S值越大,越接近理想特性,调节

性能越好；S值越小,畸变越厉害,因而可调比减小,调节性能变坏。

但从装置的经济性考虑时,S

小,调节阀上压降变小,系统压降相应变小,这样从节约能耗上考虑S值越小越好。

因此在实际

应用中,对于总体压力损失较低的管路系统，可以选择S＝0.3～0.6或S＝0.6～1；对于总体

压力损失较高的管路系统，一般取S＝0.15～0.3；对高压系统可小至S＝0.05。

压降V∆P的

选定方法，根据不同的已知条件，用于确定调节阀计算差压的方法有以下两种：

（1）按管路系统的阻损比来确定△Pv

在确定调节阀的计算差压时，可以根据阀阻比S的值确定计算差压的值。

由阀阻比的计

算公式

∆+∑∆

∆

V∆P-------实验管路达到最大流量时调节阀前后的差压值

∑∆iP---------实验管路到到最大流量时，管路系统的总压降

可得

PSi

V1-

∑∆

∆=

因此，当管路系统的各局部阻力件，即弯头、管段、三通、手动阀门、节流装置等在实验管

路最大流量时的总压力损失计算出后及阀阻比S确定的情况下，可以由上述公式计算调节阀

的计算差压。

（2）按定压点的压差选取阀的压降

当实验管路的入口压力和出口压力已知且在实验使用过程中能够基本维持恒定时，可以

按照定压点差压来确定调节阀的计算差压值。

当实验管路入口压力和出口压力的差值∆P固定时，在最大流量时的∆+∑∆ViPP值就等于

∆P，这样在S值提前选定的情况下，就可以根据公式

∆+∑∆

∆

S来确定调节阀的计算差压值。

当调节阀的计算差压值V∆P确定之后，再结合管路情况，初步估算出调节阀前后的压力

值（绝压）。

当实验管段内达到最大流量时，设试验管段入口压力值约为0.9Mpa，出口压力为大气压

力值，则实验管路∆+∑∆ViPP的值为0.9Mpa，取两个调节阀的S值均为0.1，则调节阀的计

算差压V∆P为0.09Mpa。

对于调节阀1，估算其阀前与阀后的绝对压力值分别为1.0Mpa和

0.91Mpa；对于调节阀2，估算其阀前与阀后的绝对压力值分别为0.91Mpa和0.82Mpa

4.3Kv值计算

流量系数Kv的定义为：

当调节阀全开，阀两端压差△P为100KPa，流体重度r为lgf/cm

（即常温水）时，每小时流经调节阀的流量数，以m3/h或t／h计。

根据已决定的最大计算流

量、计算压差及其它有关参数，求出最大工作流量时的VmaxK

（1）当介质为饱和蒸汽时，流量系数的计算方法

当2P>0.51P时

（）（）

1201

1212PPPP

KVS+-

当2P≤0.51P时

VSG

140

式中：

SG-------蒸汽的质量流量，Kg/h

1P------相应流量下的阀前压力（绝对压力）,Kpa。

2P--------相应流量下的阀后压力（绝对压力），Kpa。

K-------蒸汽修正系数，对于水蒸气该系数取值为19.4

（2）当介质为一般气体时，流量系数的计算方法

当P2>0.5P1时，

VPP

QGt

∆⋅

（273）

4.73

当P2≤0.5P1时，

（273）

2.901

V+

⋅

式中：

gQ——标准状态下气体体积流量，m/h3

1P——阀前压力（绝对压力），KPa

2P——阀后压力（绝对压力），KPa

12∆P=P-P，KPa

12PP

=，KPa

G——气体比重。

气体的比重是指该气体的密度与标准状况下空气密度

的比值。

取G=1

t——气体温度，℃.

（3）当介质为一般液体的Kv值计算方法

当（）1

LFV∆P

KQVL-

=⨯

当（）1

LFV∆P>FP-F⋅P

（）

LFV

VLFPFP

-⋅

=⨯

式中：

FF——流体临界压力比系数,

F=0.96-0.28。

LF——压力恢复系数。

VP——阀入口温度下，介质的饱和蒸汽压（绝对压力）,Kpa。

CP——物质热力学临界压力,Kpa。

LQ——液体流量m/h3。

ρ——液体密度3g/cm。

1P——阀前压力（绝对压力）KPa。

2P——阀后压力（绝对压力）KPa。

4.4初步决定调节阀口径

根据已计算的VmaxK，在所选用的产品型式系列中，选取大于VmaxK并与其接近的一档VK

值，得出口径，一般所选用调节阀口径不应大于所安装管道的口径。

4.5开度验算

要求就小流量时，开度值不小于10%；最大流量时，开度值不大于90%

（1）

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