調(diào)節(jié)閥是生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中*常見的一種執(zhí)行器，一般的自動控制系統(tǒng)是由對象、檢測儀表、控制器、執(zhí)型器等所組成。調(diào)節(jié)閥直接與流體接觸，控制流體的壓力或流量。人們常把測量儀表稱之為生產(chǎn)過程自動化的“眼睛”；把控制器稱之為“大腦”；把執(zhí)行器稱之為“手腳”。自動控制系統(tǒng)一切先進的控制理論，巧秒的控制思想，復(fù)雜的控制策略都是通過執(zhí)行器對被控對象進行作用的。正確選取調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式、流量特性、流通能力；正確選取執(zhí)行機構(gòu)的輸出力矩或推力與行程；對于自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟合理性起著十分重要的作用。如果計算錯誤，選擇不當(dāng)，將直接影響控制系統(tǒng)的性能，甚至無法實現(xiàn)自動控制。控制系統(tǒng)中因為調(diào)節(jié)閥選取不當(dāng)，使得自動控制系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩不能正常運行的事例很多很多。因此，在自動控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型計算是必須認(rèn)真考慮、將設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

     正確選取符合某一具體的控制系統(tǒng)要求的調(diào)節(jié)閥，必須掌握流體力學(xué)的基本理論。充分了解各種類型閥的結(jié)構(gòu)型式及其特性，深入了解控制對象和控制系統(tǒng)組成的特征。選取調(diào)節(jié)閥的重點是閥徑選擇，而閥徑選擇在于流通能力的計算。流通能力計算公式已經(jīng)比較成熟，而且可借助于計算機，然而各種參數(shù)的選取很有學(xué)問，*后的拍板定案更需要深思熟慮。

      2 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式及其選擇

     常用的調(diào)節(jié)閥有座式閥和蝶閥兩類。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式越來越多，以適應(yīng)不同工藝流程，不同工藝介質(zhì)的特殊要求。按照調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式的不同，逐步發(fā)展產(chǎn)生了單座閥、雙座閥、角型閥、套筒閥（籠型閥）、三通分流閥、三通合流閥、隔膜閥、波紋管閥、O型球閥、V型球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥（凸輪繞曲閥）、普通蝶閥、多偏心蝶閥等等。

     如何選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式？主要是根據(jù)工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量），介質(zhì)性質(zhì)（粘度、腐蝕性、毒性、雜質(zhì)狀況），以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求（可調(diào)比、噪音、泄漏量）綜合考慮來確定。一般情況下，應(yīng)優(yōu)選普通單、雙座調(diào)節(jié)閥和套筒閥，因為此類閥結(jié)構(gòu)簡單，閥芯形狀易于加工，比較經(jīng)濟。如果此類閥不能滿足工藝的綜合要求，可根據(jù)具體的特殊要求選擇相應(yīng)結(jié)構(gòu)型式的調(diào)節(jié)閥?，F(xiàn)將各種型式常用調(diào)節(jié)閥的特點及適用場合介紹如：

    （1）單座閥（VP，JP）：泄漏量?。~定K_v值的0.01%）允許壓差小，JP型閥并且有體積小、重量輕等特點，適用于一般流體，壓差小、要求泄漏量小的場合。

    （2）雙座閥（VN）：不平衡力小，允許壓差大，流量系數(shù)大，泄漏量大（額定K值的0.1%），適用于要求流通能力大、壓差大，對泄漏量要求不嚴(yán)格的場合。

    （3）套簡閥（VM.JM）：穩(wěn)定性好、允許壓差大，容易更換、維修閥內(nèi)部件，通用性強，更換套筒閥即可改變流通能力和流量特性，適用于壓差大要求工作平穩(wěn)、噪音低的場合。

    （4）角型閥（VS）：流路簡單，便于自潔和清洗，受高速流體沖蝕較小，適用于高粘度，含顆粒等物質(zhì)及閃蒸、汽蝕的介質(zhì)；特別適用于直角連接的場合。

    （5）偏心旋轉(zhuǎn)閥（VZ）：體積小，密封性好，泄漏量小，流通能力大，可調(diào)比寬R=100，允許壓差大，適用于要求調(diào)節(jié)范圍寬，流通能力大，穩(wěn)定性好的場合。

    （6）V型球閥（VV）：流通能力大、可調(diào)比寬R=200~300，流量特性近似等百分比，v型口與閥座有剪切作用，適應(yīng)用于紙漿、污水和含纖維、顆粒物的介質(zhì)的控制。

    （7）O型球閥（VO）：結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，流通能力大，密封性好，泄漏量近似零，調(diào)節(jié)范圍寬R=100~200，流量特性為快開，適用于紙漿、污水和高粘度、含纖維、顆粒物的介質(zhì)，要求嚴(yán)密切斷的場合。

    （8）隔膜閥（VT）：流路簡單，阻力小，采用耐腐蝕襯里和隔膜有很好的防腐性能，流量特性近似為快開，適用于常溫、低壓、高粘度、帶懸浮顆粒的介質(zhì)。

    （9）蝶閥（VW）：結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕，易于制成大口徑，流路暢通，有自潔作用，流量特性近似等百分比，適用于大口徑、大流量含懸浮顆粒的流體控制。

      3 調(diào)節(jié)閥的流量特性及其選擇

     調(diào)節(jié)閥流量特性分固有特性和工作特性兩種。固有特性又稱調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性，是由生產(chǎn)廠制造時決定的。調(diào)節(jié)閥在管路中工作，管路系統(tǒng)阻力分配情況隨流量變化，調(diào)節(jié)閥的前后差壓也發(fā)生變化，這樣就產(chǎn)生了調(diào)節(jié)閥的工作特性。

      3.1 結(jié)構(gòu)特性

     調(diào)節(jié)閥是通過行程的變化，改變閥芯與閥座間的節(jié)流面積，來達到控制流量的目的。因此閥芯與閥座的節(jié)流面積跟著行程怎樣變化，對調(diào)節(jié)閥的工作特性能有很大影響。通常把閥門的相對節(jié)流面積與閥門的相對開度之間的關(guān)系稱為調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性。所謂閥門的相對開度是指調(diào)節(jié)閥某一開度行程與全開行程之比（角行程與直行程道理相同），用l=L/L_max來表示。所謂閥門的相對節(jié)流面積是指調(diào)節(jié)閥某一開度下的節(jié)流面積與全開時的節(jié)流面積之比，用f=F/F_max來表示。

     調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特性的數(shù)學(xué)表達式為：

     f=Φ（l）                 （3-1）

     上式的函數(shù)關(guān)系取決于閥芯及相關(guān)閥門組件的形狀和結(jié)構(gòu)。不同的結(jié)構(gòu)就形成了幾種典型的結(jié)構(gòu)特性。

      3.1.1 直線結(jié)構(gòu)特性

     閥門的相對節(jié)流面積與相對開度成直線關(guān)系。即：

     df/dl=c                    （3-2）

      式中：c為常數(shù)

     設(shè)邊界條件為：當(dāng)L=0時，F(xiàn)=F_max；L=L_max時，F(xiàn)=F_max：解上述微分方程，并帶入邊界條件得出數(shù)學(xué)表達式為：

                   （3-3）

     式中：R=F_max/F_min為調(diào)節(jié)閥節(jié)流面積的變化范圍。

      3.1.2 等百分比結(jié)構(gòu)特性

     閥門的相對節(jié)面積隨行程的變化率與此點的節(jié)流成正比關(guān)系。即：

     df/dl=cf                      （3-4）

     解上述微分方程，并代入前述相同邊界條件，得出數(shù)學(xué)式為：

     f=R^（l-1）                    （3-5）

     式中：R=F_max/F_min

      3.1.3 快開結(jié)構(gòu)特性

     閥門的節(jié)流面積隨行程變化，很快達到*大（飽和），此閥適用于迅速開閉。

      3.1.4 拋物線結(jié)構(gòu)特性

     閥門的相對節(jié)流面積與相對開度成拋物線關(guān)系。即：

                              （3-6）

     解上述微分方程，并代入前述相同的邊界條件，得出數(shù)學(xué)式為：

                  （3-7）

     式中：R=F_max/F_min

      3.2 工作流量特性

     調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度之間的關(guān)系相對流量用q=Q/Q_max來表示。

     調(diào)節(jié)閥的流量特性的數(shù)學(xué)表示式為：

     q=Φ（l）                                   （3-8）

     一般說來，改變調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積，便可控制流量；但實際上由于各種因素的影響，如節(jié)流面積變化的同時，還發(fā)生閥前后壓差的變化，而壓差ΔPv的變化引起流量的變化。為了分析問題方便，先假定閥前后壓差是固定的。

      3.2.1 理想流量特性

     在調(diào)節(jié)閥前后壓差一定的情況下（ΔP_v=常數(shù)）得到的流量特性，稱為理想流量特性。假設(shè)調(diào)節(jié)閥各開度下的流通能力與節(jié)流面積成線性關(guān)系，即：

     C_i=Cf                                  （3-9）

      式中：C：閥全開時的流通能力
              C_i：閥在某一開度下的流通能力
              f：相對節(jié)流面積

     由流體力學(xué)得知，伯努利方程可以推導(dǎo)出調(diào)節(jié)閥流量方程為：

             （3-10）

      式中：F：調(diào)節(jié)閥節(jié)流面積
              ε：調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)，隨開度變化
              g：重力加速度
               r：流體重度
               P₁，P₂：調(diào)節(jié)閥前、閥后壓力

     調(diào)節(jié)閥的流量方程也可以簡化寫為：

                              （3-11）

     當(dāng)f=1時，Q=Q_max則可得到：

                         （3-12）

     考慮到△P為常數(shù)，將式（3-11）和（3-12）相比即得：

     q=f                 （3-13）

     綜上可知，當(dāng)閥門各開度下的流通能力C與節(jié)流面積F成線性關(guān)系時，即假定閥前后壓差固定，ΔP為常數(shù)時，調(diào)節(jié)閥的理想流量特性與調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性完全相同，這樣一來，調(diào)節(jié)閥的理想流量特性，也就有直線、等百分比、快開、拋物線等4種形式

      3.2.2 實際工作流量特性

     在調(diào)節(jié)閥前后壓差變化的情況下，得到的流量特性，稱為工作流量特性。在實際的工藝裝置中，調(diào)節(jié)閥安裝在工藝管道系統(tǒng)中，由于除調(diào)節(jié)閥以外的管道、裝置、設(shè)備等存在阻力，并且該阻力損失隨通過管道的流量成平方關(guān)系變化。因此，當(dāng)系統(tǒng)兩端壓差ΔP一定時，調(diào)節(jié)閥上的壓差ΔP_v就會隨著流量的增加而減小，如圖1所示。這個壓差的變化也會引起通過調(diào)節(jié)閥的流量發(fā)生變化，因此這時調(diào)節(jié)閥的理想流量生就會產(chǎn)生畸變而成為工作特性。

    管道系統(tǒng)的總壓差△P_s是管道系統(tǒng)（除調(diào)節(jié)閥外的閥門、設(shè)備和管道）的壓差與調(diào)節(jié)閥前后壓差之和，即：

     ΔP_s=△P₂+∑ΔP₁             （3-14）

     圖1（b）中△P_vm是*大流量時調(diào)節(jié)閥前后的壓差，∑△P_im是*大流量時管路系統(tǒng)的壓差，令：

                             （3-15）

     這就是工藝管道系統(tǒng)的阻損比S，也就是調(diào)節(jié)閥全開時，閥上的壓降△Pv與管路系統(tǒng)各局部阻力件之和∑P_im加閥上的壓降△P_v，兩者之間的比根據(jù)式（3-11），則調(diào)節(jié)閥通過的流量即：

                     （3-16）

     當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度達到100%時，即f=1時則有：

                 （3-17）

     如果工藝管道系統(tǒng)的阻力損失全部由調(diào)節(jié)閥決定，即管道設(shè)備阻力等于零時（ΔP_v=ΔP_s），此時的系統(tǒng)阻損比S=1，則調(diào)節(jié)閥前后壓差就是管道系統(tǒng)的總壓降△P_s。此時調(diào)節(jié)閥工作特性就成為理想特性，此時的*大流量為：

                              （3-18）

     如果將式（3-16）和（3-18）相比就可以得到Q作參此量的相對流量特性：

                                                （3-19）

     如果將式（3-16）和（3-17）相比就可以得到以Q₁₀₀作參比量的相對流量特性：

                                               （3-20）

     進一步推導(dǎo)，考慮管道系統(tǒng)的節(jié)流面積恒定不變其相對面積總是1，則其管道流量表達式如下：

                                               （3- 21）

      式中：Q：管道流量
              C_g：管道流通能力
               ∑ΔP_i：管道阻力
               γ：流體密度

     式（3-16）和（3-21）流量相等，并根據(jù)式（3-14）則推導(dǎo)出

                                       （3-22）

     當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開時f=1，于是調(diào)節(jié)閥*大開度時的前后差壓（實際是調(diào)節(jié)閥前后壓差的*小值）為：

      則：
      
                                     （3-23）

     將式（3-23）和（3-22）聯(lián)豆解方程組則有

                                       （3-24）

     將式（3-24）代入式（3.19）則得到
 
                              （3- 25）

     將上式中代入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特性，就可以得出Q_max作為參比值的工作特性如圖2。

     由于實際上S<1，因此工作特性中Q和Q₁₀₀都將相對減小。隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加，管道系統(tǒng)的流量也隨之增加，則管道系統(tǒng)的壓降∑ΔP_i從*?。ń频扔诹悖┲鸩皆龃蟮健芇_im。這樣一來，隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加，調(diào)節(jié)閥前后壓差ΔP_v將由于∑ΔP_i的增加而減少，參看圖1。因此實際上管道系統(tǒng)的*大流量Q₁₀₀必然小于理想情況（S=1）時的*大流量Q_max也就使得直線和等百分此兩種調(diào)節(jié)閥的特性曲線都隨S的減小而下垂，如圖2。

    將式（3-24）和△Pm=S?ΔPs代入式（3-20）則得到：

                              （3- 26）

     將上式中代入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特性，就可以得出Q₁₀₀作為參比值的工作特性，如圖3。

     對于一個流量調(diào)節(jié)閥的管道系統(tǒng)，阻損比S值（又稱壓降比）越大，則說明調(diào)節(jié)閥的壓降占整個系統(tǒng)比重越大，調(diào)節(jié)閥控流能力越大；如果S=1.0，則△P_v=△P_s是不變的，則調(diào)節(jié)閥工作特性就是理想特性。反之S值越小，則說明調(diào)節(jié)閥的壓降占整個系統(tǒng)的比重越??；也就是調(diào)節(jié)閥的控制能力越差，也就是當(dāng)流量增加時，調(diào)節(jié)閥前后壓降逐步減少。因此調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積雖然增大了但由于ΔP_v減小，流量并沒有按理想特性增大，而使流量增大速率變緩。隨著S值的減小，即管道阻力增加，則帶來兩個不利的后果：一是調(diào)節(jié)閥的流量特性發(fā)生越來越大的畸變；直線特性漸漸趨于快開特性，等百分比特性漸漸趨于直線特性，這樣一來使小開度時放大系數(shù)增加、大開度時放大系數(shù)減小，造成小開度時控制不穩(wěn)定和大開度時控制遲鈍。因此在實際使用中，通常要求S值不低于0.3~0.5。二是調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍隨之減小，實際可調(diào)比R'隨S減小而減小：

                  （3-27）

     式中：R：調(diào)節(jié)閥的固有可調(diào)比
              R‘：調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)比

     3.3 流量特性的選擇

     直線結(jié)構(gòu)特性調(diào)節(jié)閥的特性曲線的斜率在全行程是一個定值以相對行程l等于10%、50%、80%三點為例；當(dāng)行程變化10%時，所引起節(jié)流面積變化總是10%，我們再看它的節(jié)流面積相對變化值分別為：

     由此可見，直線結(jié)構(gòu)特性在變化相同行程情況下，閥門開度小時，節(jié)流面積相對變化值大；閥門開度大時，節(jié)流面積相對變化值小。這個特點，往住使直線結(jié)構(gòu)特性閥門在小開度情況下的靈敏度過高而導(dǎo)致控制性能變壞。

     再看等百分比結(jié)構(gòu)特性的調(diào)節(jié)閥，其特性曲線的斜率是隨行程的增大而遞增的。以同樣的相對行程等于10%、50%、80%三點為例，當(dāng)行程變化成10%，（假設(shè)R=30）所引起的節(jié)流面積變化分別是1.91%、7.3%和20.4%；因此這種閥在接近關(guān)閉時工作得緩和平穩(wěn)，而在接進全開啟狀態(tài)時工作的靈敏有效。同樣再看它的節(jié)流面積相對變化率分4為：

     由此可見行程變化成10%，所I起節(jié)流面積變化的相對值總是40%，具有等比率特性、等百分比結(jié)構(gòu)特性即由此得名。

     實際市場上調(diào)節(jié)閥，有直線、等百分比和快開三種基本特性。對于陜開特性，一般用于兩位式調(diào)節(jié)和開關(guān)控制。對于調(diào)節(jié)系統(tǒng)選擇調(diào)節(jié)閥特性，則指的是如何選擇直線和等百分比特性在設(shè)計選用中主要依據(jù)以下兩個原則。

     （1）從控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)出發(fā)，選擇閥的工作特性

     理想的控制回路，希望它的總放大系數(shù)在控制系統(tǒng)的整個操作范圍內(nèi)保持不變，但在實際生產(chǎn)過程中控制對象的特性往往是非線性的，它的放大系數(shù)要隨其外部條件而變化。因此，適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)閥特性，以調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)變化來補償對象放大系數(shù)的變化，可將系統(tǒng)的總放大系數(shù)整定不變，從而保證控制質(zhì)量在整個操作范圍內(nèi)保持一定。若控制對象為線性時，調(diào)節(jié)閥可以采用直線工作特性。但許多的控制對象，其放大系數(shù)隨負(fù)荷加大而趨小，假如我們選用放大系數(shù)隨負(fù)荷加大而趨大的調(diào)節(jié)閥，正好補償。等百分比特性閥具有這種性能，因此它得到廣泛應(yīng)用。

     （2）從配管情況出發(fā)，根據(jù)調(diào)節(jié)閥的希望工作特性選擇閥的結(jié)構(gòu)特性。

     必須說明，按**原則選出的是閥的工作流量特性。由于流量調(diào)節(jié)閥的管道系統(tǒng)各不相同，S值的大小直接引起閥的工作流量特性偏離其結(jié)構(gòu)特性而發(fā)生畸變。因此，當(dāng)我們根據(jù)已定的希望工作特性來選取調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性時，就必須考慮配管情況。S值大計時，調(diào)節(jié)閥的工作特性畸變??；反之S值小，調(diào)節(jié)閥的工作特性畸變大。考慮配管情況可以參考表i進行選擇。

表1 閥的結(jié)構(gòu)特性選擇

     選擇閥的結(jié)構(gòu)特性與S值很有關(guān)系，S值大則工作特性畸變小，對控制有利。但是，S值大說明調(diào)節(jié)閥的壓力損失大，這樣不經(jīng)濟。因此必須綜合考慮，工程設(shè)中普遍認(rèn)為壓降比S為0.3~0.6是比較合適的。