实际控制阀流量特性设计方法
阀门的流量特性
偏心旋转阀
三通调节阀
分流型三通阀是将一路流体分为两路流体 合流型三通阀是将二路流体合为一路流体
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单座调节阀
双座调节阀
套筒调节阀
角形调节阀
三通调节阀 隔膜阀
蝶阀
球阀 偏心旋转阀
隔膜调节阀
隔膜阀体流通平滑、节流元件为弹性隔膜阀， 阀盖上无填料函。因而阀流通能力比一般调 节阀大无泄漏，该阀适用于高粘性流体、悬 浮状颗粒、纤维介质和有毒介质、腐蚀性介 质的调节场合。
调节阀是最终控制元件的最广泛使用的型 式。
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在工业自动化过程控制领域中，常见的控 制回路包括三个主要部分，第一部分是测量 元件，能够用来测量被调工艺参数如压力、 液位、流量、温度等。测量元件的输出被送 到控制单元——调节器，它确定并测量设定 值与工艺参数的实际值之间的偏差，一个接 一个地把校正信号送出给最终控制元件—— 调节阀，调节阀通过接受调节控制单元输出 的控制信号，借助推动装置去改变流体的流 量，使工艺参数达到了期望值。
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常用的固有流量特性有线性、等百分比、快开。
1.线性流量特性
是指阀的相对流量与相对行程成直线关系。即单位 行程变化所引起的流量变化是常数
2.等百分比流量特性
是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此 点的相对流量变化成正比关系。即控制阀的放大系数 是变化的，它随相对流量的增大而增大。
•自力式压力调节阀
阀后压力控制 阀前压力控制
•自力式温度调节阀 •自力式流量调节阀
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阀前压力
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阀后压力
•自力式流量调节阀
自力式温度调节阀
阀的流量特性
（5）调节阀前、后两端压力差为
p p1 p2 0.09MPa
（6）蒸汽的压缩系数ε为
p2 0.2 0.5 p1 0.29
故调节阀的蒸汽流动为亚临界流动。
制 冷 装 置 及 其 自 动 化 课 件 设 计
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制 冷 装 置 及 其 自 动 化 课 件 设 计
调节阀流量特性及其选择计算 调节阀和调节蝶阀与风门是制冷空调系 统中的两种调节机关。 在自动调节系统中如何选择调节机关， 是一个很重要的问题。必须根据整个调节系 统慎重选择调节机关。 在选择调节阀时，必须考虑下列两个因 素： 第一为调节阀的调节范围； 第二为调节阀的工作流流量特性指介质流过阀门的相 对流量与阀门的相对开度之间的关系，即
q q max l f L
制 冷 装 置 及 其 自 动 化 课 件 设 计
调节阀的流量特性分为理想流量特性和 工作流量特性。
理想流量特性
调节阀在前后两端压差一定的情况下， 得到的流量特性，称为理想流量特性。调节 阀的理想流量特性取决于阀心形状，见图2－ 84。
（7）按最大流量计算流通能力Cmax为
Cmax qmax 31 100 p1
式中ρ1=1.57——阀前p1状态的饱和蒸汽密度。 （8）按最小流量计算流通能力Cmin为
Cmin qmin 6.96 100 p1
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查调节阀产品目录资料，选择直通单座， 通径Dg=0.05m，口径dg=0.05m，行程 S=0.025m，阀的流通能力C=32。 （9）验算
q’min=210kg/h，调节阀阀前压力约0.19MPa（表
调节阀流量特性
② 随着S的减小，管道总阻力增大，控制阀全开 时的最大流量相应减小，使实际可调比 R f 下降。 RS f 之间的关系为 实际可调比 与
Rf » R S
③ 随着S的减小，控制阀的流量特性发生畸变，线 性理想流量特性渐渐接近快开特性；等百分比理 想流量特性趋向于线性特性。 在实际使用中，S值选得过大或过小都有不妥之处。 选得过大，阀上的压降很大，消耗能量过多；选 得过小，则控制阀流量特性畸变严重，对控制不 利。因此，一般希望S值最小不低于0.3。设计中的 S通常为0.3～0.6。
1－永久磁钢；2－导磁体；3－主杠杆（衔铁）；4－平衡弹簧； 5－反馈凸轮支点； 6－反馈凸轮；7－副杠杆；8－副杠杆支点；9－薄膜执行机构； 10－反馈杆；11一滚轮； 12－反馈弹簧；13－调零弹簧；14－挡板；15－喷嘴；16－主杠杆支点； 17－放大器 图2.39 电-气阀门定位器动作原理
系统总压差：
p pV p f
p pV p f
压力比系数S： S的定义为，控制阀全开时，阀两端的压 降占系统总压降的比值。
pv min S＝ p
图2.34
串联管道时控制阀的工作流量特性
在S≤1，串联管道中控制阀特性曲线的畸变规律如下：
① 当系统压降全部损失在控制阀上时（管道阻力 损失为零），S＝1，这时工作流量特性与理想流量 特性相同。
不同流量特性的阀芯曲面形状
1－线性；2－等百分比；3－快开；4－抛物线
（1）线性流量特性 或叫直线流量特性 线性流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度 成直线关系。
q d q 其数学表达式为： max K l d L q l
将上式积分得 q ＝K L ＋C max 根据已知边界条件在l＝0时，q=qmin 则C＝qmin/qmax l＝L时，q=qmax 则K＝1－C＝1－(1/R)
调节阀流量系数计算公式及数据选择
调节阀流量系数计算公式及数据选择调节阀的流量系数（Cv）是指在给定的压差下，调节阀能够通过的流体的体积流量。
它是衡量调节阀性能的重要参数之一、通常情况下，调节阀流量系数的计算公式为：Cv = Q / sqrt(ΔP)其中，Cv为流量系数，Q为流量，ΔP为压差。
在实际应用中，选择合适的流量系数对于调节阀的性能至关重要。
以下是一些常用的数据选择方法和公式。
1.流量系数计算公式：根据调节阀的使用场景和流体介质的特性，可以选择不同的流量系数计算公式。
常见的计算公式包括：- 标准流量系数公式：Cv = Q / sqrt(ΔP)- 输入流量系数公式：Cv = Q / sqrt(△h * g)- 出口流量系数公式：Cv = Q / sqrt(△z)2.流量系数选择方法：为了选择合适的流量系数，需要考虑以下因素：-流量需求：首先需要确定所需的流量范围，包括最小和最大流量。
-压差需求：根据流量要求和管道系统的特性，确定所需的压差范围。
-流体介质：不同的流体介质对调节阀的流量系数有不同的要求，例如气体和液体，不同的密度和黏度对流量系数具有影响。
-系统要求：根据系统的性能要求，选择合适的流量系数。
3.流量系数常用值：根据实际经验和行业标准，一些常用的流量系数值如下：-常规控制阀：Cv=0.01~10-高流量控制阀：Cv=10~50-小流量控制阀：Cv<0.01-紧急切断阀：Cv>504.其他因素的考虑：流量系数的选择还需要考虑其他因素，如调节阀的类型、阀座直径和开启程度等。
不同类型的调节阀可能需要不同的流量系数。
综上所述，在选择调节阀的流量系数时，需要根据流量需求、压差需求、流体介质和系统要求等因素进行评估。
在实际应用中，可以根据常见的流量系数计算公式和经验值来进行选择，并结合实验数据进行调整和优化。
控制阀流量特性解析
控制阀流量特性解析控制阀的流量特性是控制阀重要技术指标之一，流量特性的偏差大小直接影响自动控制系统的稳定性。
使用单位希望所选用的控制阀具有标准的固有流量特性，而控制阀生产企业要想制造出完全符合标准的固有流量特性控制阀是非常困难的，因直线流量特性相对简单，且应用较少，所以本文重点对等百分比流量特性进行讨论。
控制阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对行程之间的关系，数学表达式为Q/Qmax = f(l/L), 式中:Q/Qmax—相对流量。
指控制阀在某一开度时的流量Q与全开流量Qmax之比；l/L—相对行程。
指控制阀在某一开度时的阀芯行程l与全开行程L之比一般来讲，改变控制阀的流通面积便可以控制流量。
但实际上由于多种因素的影响，在节流面积发生变化的同时，还会产生阀前、阀后压力的变化，而压差的变化又将引起流量的变化，为了便于分析，先假定阀前、阀后压差不变，此时的流量特性称为理想流量特性。
理想流量特性主要有等百分比（也称对数）、直线两种常用特性，理想等百分比流量特性定义为：相对行程的等值增量产生相对流量系数的等百分比增加的流量特性，数学表达式为Q/Qmax = R(l/L-1)。
理想直线流量特性定义为：相对行程的等值增量产生相对流量系数的等值增量的流量特性，数学表达式为Q/Qmax=1/R[1+（R-1）l/L]式中R—固有可调比，定义为在规定偏差内的最大流量系数与最小流量系数之比。
常见的控制阀固有可调比有30、50两种。
当可调比R=30和R=50时，直线、等百分比的流量特性在相对行程10%～100%时各流量值见表一表一由上表可以看出，直线流量特性在小开度时，流量相对变化大，调节作用强，容易产生超调，可引起震荡，在大开度时调节作用弱，及时性差。
而等百分比流量特性小开度时流量小，流量变化也小，在大开度时流量大，流量变化也大，调节作用灵敏有效。
由于上述原因，在实际工况中多数场合优选等百分比流量特性。
GB/T4213-2008《气动调节阀》标准5.11.2条规定，等百分比流量特性的斜率偏差：在相对行程h=0.1～0.9之间，任意相邻流量系数测量值的十进对数（lg ）差值应符合表二规定。
调节阀流量特性选择
调节阀的流量特性如何选择控制阀的流量特性是介质流过控制阀的相对流量与相对位移（控制阀的相对开度）间的关系，一般来说改变控制阀的阀芯与阀座的流通截面，便可控制流量。
但实际上由于多种因素的影响，如在截流面积变化的同时，还发生阀前后压差的变化，而压差的变化又将引起流量的变化。
在阀前后压差保持不变时，控制阀的流量特性称为理想流量特性；控制阀的结构特性是指阀芯位移与流体流通截面积之间的关系，它纯粹由阀芯大小和几何形状决定，与控制阀几何形状有关外，还考虑了在压差不变的情况下流量系数的影响，因此，控制阀的理想流量特性与结构特性是不同的。
理性流量特性主要由线性、等百分比、抛物线及快开四种。
在实际生产应用过程中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性，因为控制阀往往和工艺设备串联或并联使用，流量因阻力损失的变化而变化，在实际工作中因阀前后压差的变化而使理想流量特性畸变成工作特性。
控制阀的理想流量特性，在生产中常用的是直线、等百分比、快开三种，抛物线流量特性介于直线与等百分比之间，一般可用等百分比来代替，而快开特性主要用于二位式调节及程序控制中。
因此，控制阀的特性选择是指如何选择直线和等百分比流量特性。
目前控制阀流量特性的选择多采用经验准则，可从下述几个方面考虑：1、从调节系统的质量分析下图是一个热交换器的自动调节系统，它是由调节对象、变送器、调节仪表和控制阀等环节组成。
K1变送器的放大系数，K2调节仪表的放大系数，K3执行机构的放大系数，K4控制阀的放大系数，K5调节对象的放大系数。
很明显，系统的总放大系数K为：K=K1*K2*K3*K4*K5K1、K2、K3、K4、K5分别为变送器、调节仪表、执行机构、控制阀、调节对象的放大系数，在负荷变动的情况下，为使调节系统仍能保持预定的品质指标；则希望总的放大系数在调节系统的整个操作范围内保持不变。
通常，变送器、调节器（已整定好）和执行机构的放大系数是一个常数，但调节对象的放大系数却总是随着操作条件变化而变化，所以对象的特性往往是非线性的。
海川化工论坛-控制阀流量系数(口径)计算_手稿
控制阀流量系数（口径）计算目 录一 控制阀的节流原理及流量系数C （flow Coefficient ）的定义.....2 二 阻塞流（chocked flow ）..................................................3 三 不可压缩流体的C 值计算公式..........................................6 四 不可压缩流体的C 值（口径）计算实例..............................9 五 可压缩流体的C 值计算公式（一）...................................12 六 可压缩流体的C 值计算公式（二）..................................13 七 可压缩流体的C 值计算实例...........................................17 八 阀位验算...................................................................18 九 闪蒸、空化与汽蚀.......................................................22 十 总结. (23)b bs .h cb b s .c o m参考文献： 1、《石油化工自动控制设计手册》 2、《控制阀工程设计与应用》 3、《气动调节仪表》4、GB/T 17213 《工业过程控制阀》5、FISHER 《控制阀手册》第四版6、Masoneilan 《CONTROL V ALVE SIZING HANDBOOK 》7、azbil 《调节阀的选择和口径计算》8、重庆川仪《气动调节阀》选型样本一 控制阀的节流原理及流量系数C （flow Coefficient ）的定义在控制阀全开时，文献2给出了根据伯努利方程得出的流量方程：Q ：体积流量A ：是对取压点位置、缩流处面积、压力损失等进行综合修正的系数 ε：可膨胀性系数，用于对密度的变化进行修正。
阀门流量特性曲线图结构
h
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驱动方式
手动： 借助手轮、手柄、杠杆或链轮等，由人力来操纵的阀门。
电动： 用电动机、电磁或其他电气装置操纵的阀门。
液压或气压传动： 借助液体（水、油等液体介质）或空气操纵的阀门。
h
5
各种参数—压力
1.公称压力 阀门的公称压力PN是一个用数字表示的与压力有关的标示代号，是仅供参考用的一个 方便的圆整数。
2.试验压力 ⅰ阀门的壳体试验压力是指对阀门的阀体和阀盖等联结而成的整个阀门外壳进行试验 的压力，其目的是检验阀体和阀盖的致密性及包括阀体与阀盖联结处在内的整个壳体的耐 压能力。 ⅱ阀门的密封和上密封试验压力是检验启闭件和阀体密封副密封性能和阀杆与阀盖密 封副密封性能的试验压力。
阀杆的密封通常用压缩填料。压缩填料是指压入填料 函内使阀杆周围密封的软质材料。
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材质
1.壳体：铜（黄铜、青铜）、铸铁、球墨铸铁、铸钢 2.内件：铜、不锈钢 3.密封：EPDM、NBR、PTFE
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14
驱动方式
阀门依靠自动或驱动机构使启闭件作升降、滑移、旋摆或回转运动， 从而改变其流道面积的大小，以实现启闭、控制的功能。
期望的阀门控制信号—热量输出曲线图
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实际的换热器/风机盘管流量—热量输出特性曲线
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期望的阀门开度/信号—流量特性曲线
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在一个闭环控制回路中， 最终热量输出近似为控制信号的线性函数
h
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调节阀的可调比
调节阀的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，若以Ｒ 表示，则：
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量身定制控制阀流量特性的设计陈迎宪 龚飞鹰（上海长成自控设备有限公司200433，上海）摘 要 控制阀固有流量特性是制造商出厂时控制阀具有的流量特性，安装到现场后，由于阀两端压降与系统压降之比不为1，造成固有流量特性发生畸变，因此，控制系统开环增益不能保持恒定，使控制系统稳定性变差。
为此，本文没有采用传统的控制阀流量特性选择方法，本文的设计方法按被控对象静态特性确定控制阀工作流量特性，然后，根据应用条件下的压降比，“量身定制”控制阀固有流量特性，这样的控制阀应用在实际条件时，其工作流量特性能够精确补偿被控过程的非线性，即使在压降比有改变时，仍可较好地补偿被控对象的非线性，因此，可有效改善控制系统稳定性。
关键词 控制阀流量特性 压降比 被控过程静态特性 控制系统稳定性1 问题的提出控制阀固有流量特性是控制阀制造商出厂时提供的流量特性。
当控制阀安装在工业生产过程中，由于存在压降比s ，使固有流量特性发生畸变，流量特性上凸，造成闭环控制系统的稳定性等性能指标变差。
通常，只能根据所需工作流量特性，按经验法或根据压降比法选用合适的固有流量特性[1，2]。
根据控制系统稳定运行准则，是否可根据被控生产过程的数学模型，确定其合适的控制阀工作流量特性，满足稳定性要求，提高控制系统的性能，例如，偏离度指标[3]。
然后，根据所需控制阀工作流量特性和工况下的压降比设计控制阀的固有流量特性，以实现量身定制控制阀流量特性，满足应用要求。
本文根据控制阀工作流量特性、固有流量特性和压降比的函数关系，根据工作流量特性和压降比，设计控制阀固有流量特性，进行预畸，使工作流量特性满足应用要求。
当前，随着对控制精度的要求不断提高，对控制阀的流量特性也提出更高要求，本文讨论的方法对提高控制系统控制品质具有十分重要意义。
为此，本文对“量身定制”工作流量特性进行研究，并据此设计控制阀固有流量特性。
2 工作流量特性的设计控制阀安装在现场后，其固有流量特性畸变成为工作流量特性，设固有流量特性用q =f (l )表示，工作流量特性用q =g (l )表示。
则考虑压降比s 后的工作流量特性可表示为：)()1()()(2l f s s l f l g -+=（1）式中，q 是相对流量，q =Q /Q max ；l 是相对行程，l =L /L max ；s 是压降比，s =控制阀全开时两端压降/系统压降。
因此，它们都无工程单位，变化范围是0~1，下同。
图1显示控制阀工作状况固有流量特性的畸变。
可见，控制阀工作状况下固有流量特性发生变化，其特点如下： ● s =1表示管道压降为零，工作流量特性与固有流量特性相同；即系统压降全部降落在控制阀两端时，工作流量特性不发生畸变。
● 随s 的减小，管道压降增加，控制阀两端压降减小，使控制阀全开时的最大流量下降，实际可调比下降。
图1 控制阀工作状况下流量特性的畸变l ll q qq● 随s 的减小，工作流量特性与固有流量特性之间的差异变大，工作流量特性上凸，s 越小，上凸越严重，流量特性的畸变使原有控制系统的总开环增益变化，会严重影响控制系统控制品质。
为此，常用的方法是根据所需工作流量特性确定控制阀固有流量特性。
要解决固有流量特性畸变的设计思路是根据压降比设计控制阀固有流量特性。
其设计依据如下：● 根据节能要求，工艺设计时，通常以压降比为0.3~0.5设计管路和选用供能设备[4，5]。
● 控制阀阀瓣的设计依据是流量特性函数，只要有所需的流量特性函数关系，就可设计阀瓣[6~9]。
● 数控机床等加工设备的广泛应用使复杂函数关系的阀瓣设计变得容易。
因此，能否根据压降比s 的要求设计所需工作流量特性是关键工作[10]。
（1）式可表示为固有流量特性f (l )与工作流量特性g (l )的关系，即：)()1(1)()(2l g s s l g l f --=（2）根据式（2），可确定不同可调比R 下，为达到线性或对数工作流量特性时的固有流量特性。
表1是根据不同压降比下为达到线性工作流量特性时的固有流量特性值。
图2是为达到线性工作流量特性应采用的固有流量特性曲线。
图3是为达到等百分比工作流量特性应采用的固有流量特性曲线。
表1 线性工作流量特性时固有流量特性数据(R =30)表2是等百分比工作流量特性时的固有流量特性数据。
表2 等百分比工作流量特性时固有流量特性数据(R =30)图2 线性工作特性所需固有流量特性l s=1 s =0.1 s 顺序增加0.1lq s=1s =0.1图3 等百分比工作特性所需固有流量特性 s 顺序增加0.1按上述设计方法，可绘制不同压降比s 下，实际的流量特性。
图4是按s =0.4设计的线性流量特性的控制阀，并将它用于不同s 时的流量特性，可见在s =0.4时是标准的线性流量特性。
同样，图5是按s =0.4设计的对数流量特性的控制阀，并将它用于不同s 时的流量特性。
可见在s=0.4时是标准的等百分比流量特性。
与图1比较，可以发现，按s =0.4设计的线性工作流量特性和对数流量特性，在其他压降比条件下，其曲线的畸变明显减小。
压降比s =0.4时能够获得标准的线性工作流量特性和标准的对数流量特性，满足应用要求。
由于特性曲线的畸变减小，使控制系统开环增益的变化减小，因此，明显改善控制系统稳定性。
控制系统的偏离度得到改善。
4 控制阀工作流量特性的确定控制阀工作流量特性与被控生产过程特性有关。
下面以换热器生产过程为例，说明如何确定控制阀的工作流量特性[2]。
如图6所示单程、逆流、列管式换热器，换热器两侧没有发生相变，列出热量衡算式为： G 2 c 2（θ2i – θ2o ）= G 1 c 1（θ1o – θ1i ） （3）式中符号意义：θ表示流体温度，下标1表示冷流体参数，2表示载热体参数。
G 和c 分别是相应流体的重量流量（kg/hr ）和比热容（kcal/(kg·℃)）。
下标i 是该流体进入传热设备的参数，下标o 是该流体离开传热设备的参数。
换热器的传热速率方程式可表示为：q = U A m Δθm （4）式中，U 是传热系数；A m 是传热面积；Δθm 是平均温度差，对单程、逆流换热器，采用对数平均值，即：Δθm =oi i o o i i o 12121212ln)()(θθθθθθθθ----- （5）图4 线性工作特性的实际流量特性 l q s=0.3 s =0.7s 顺序增加0.1图5 对数工作特性的实际流量特性 l q s=0.3 s =0.7 s 顺序增加0.1换热器的静态特性基本方程可表示为：)1(212211111211c G UA mi i i o ++=--θθθθ （6） 因此，载热体流量G 2到出口温度θ1o 通道增益可表示为：2221122211111221)]1(21[2)(c G c G c G c G UA c G G K m i i o ⋅++-=∆∆=θθθ （7） 图7显示该环节的增益曲线。
从图可见，K >0，即载热体流量增大时，出口温度增大。
换热器生产过程是一个具有饱和非线性特性的过程，实际应用中，可根据图7确定控制阀的工作流量特性。
图8是所需工作流量特性曲线。
由于设计换热器时，当加热量不足时，会增大传热面积，因此，对进入饱和区有一定限制。
图中还画出了等百分比流量特性曲线，可见两者的特性十分接近，通常在20%以下，等百分比流量特性的数值要大些（R =30时的最大偏差为3.333%）。
图7中，数字1、2、3、4 表示mUA c G 11的值。
需注意，上述设计是根据G 2C 2=UA m 确定的。
可见等百分比流量特性的选择是正确的。
当设计的换热器进入饱和区的区域较大时，计算得到的控制阀工作流量特性会有较大差别，但曲线的形状仍相接近。
这表明，如果控制发工作流量特性是等百分比流量特性，就可以很好地补偿被控对象的非线性，使控制系统的稳定性大大提高，明显改善控制系统的偏离度[3，11，12]。
5 结束语考虑到工艺管路设计，通常以压降比s=0.3~0.5为设计依据，因此，用s=0.3时线性和等百分比工作流量特性作为依据，设计控制阀固有流量特性，可以获得很好的控制效果。
这种“量身定制”的设计方法还可以根据实际应用的压降比和被控对象的静态特性确定所需工作流量特性，并设计合适的控制阀固有流量特性，为控制阀的应用提供精确控制。
实际应用中，以压降比s=0.3~0.4为设计依据，可提供具有更优良工作流量特性的控制阀，因此，是提高控制阀控制品质的有效途径。
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