調節閥是流量控制的zui終執行元件，是過程控制系統中*的一個重要環節。一個簡單的控制系統就是由被控對象、測量變送裝置、調節器和調節閥等環節組成。調節閥的作用是接受調節器送來的控制信號，調節管道中介質的流量，從而實現生產過程中溫度、壓力、流量、液位等參數的自動控制。自動控制系統中一切*的控制理論、巧妙的控制思想、復雜的控制策略都是通過執行器對被控對象進行作用的。執行器由執行機構和調節閥構成，調節閥直接與流體接觸，它的工作與生產工藝密切相關，直接影響生產過程的物料平衡與能量平衡。若選擇不當就會造成閥的使用壽命和系統的控制質量降低，甚至造成全線停車。
調節閥是按照工藝流體的特性參數及其工作條件如溫度、閥前后壓力、密度、zui大流量、正常流量、zui小流量以及閥的結構形式、公稱通徑、閥的作用形式、材質、壓力等級及流量特性的。其中閥的流量特性在管道系統中的畸變對控制系統的控制質量會帶來很大的影響。
一、調節閥的結構特性
調節閥的流量特性分為固有特性和工作特性2種。固有特性又稱調節閥的結構特性，是由生產制造廠決定的，調節閥一旦制成以后，它的結構特性就不變了。
調節閥的結構特性是指閥芯與閥座間節流面積與調節閥開度之間的關系，其數學表達式為：
f=φ（l）
式中：
f——f=F/F100，相對節流面積，調節閥在某一開度下節流面積F與全開時節流面積F100之比；
l——l=L/L100，相對開度，調節閥在某一開度下行程L與全開時行程L100之比。調節閥的結構特性取決于閥芯的形狀，不同的閥芯曲面形成不同的結構特性：直線結構特性、等百分比結構特性、快開結構特性、拋物線結構特性。
直線結構特性是指調節閥的節流面積與閥的開度成直線關系，用相對量來表式為：
df/dl=c，c為常數
若已知邊界條件為：L=0時，F=F0；L=L100時，F=F100。解上式微分方程帶入邊界條件可得：
f=[1+（R-1）l]/R
式中：R——R=F100/F0，為調節閥的可調范圍。等百分比結構特性是指在任意開度下，單位行程變化所引起的節流面積變化與該節流面積本身成正比，用相對量來表示為：
df/dl=c，c為常數
解上式微分方程帶入邊界條件可得：
f=R（l-1）
快開結構特性是指閥門的節流面積隨行程變化，很快達到zui大（飽和），此閥適用于迅速開閉。其特性方程為：
f=1-（1-1/R）（1-l）2
拋物線結構特性是指閥的節流面積與開度成拋物線關系。其特性方程為：
f=[1+（R1/2-1）l]2/R
其特性接近等百分比特性。
圖1 調節閥的結構特性
1直線；2等百分比；3快開；4拋物線
從圖1可看出，對于直線結構特性的閥，只要閥芯位移變化量相同，則節流面積變化量也總是相同的。對于同樣大的閥芯位移，小開度時的節流面積相對變化量大，大開度時的節流面積相對變化量小。對于等百分比結構特性的閥，小開度時的節流面積變化平緩，大開度時的節流面積變化加快，可保證在各種開度下的靈敏度都一樣。快開結構特性的閥其靈敏度極差，很少用做調節閥，主要用于雙位控制和程序控制。拋物線結構特性的閥，其特性接近等百分比特性。因此，流量特性的選擇主要是指合理選用線性和等百分比流量特性。選擇的原則是在負荷變化的情況下，結合工藝配管情況，使控制系統總的放大系數即綜合特性接近線性。
二、調節閥的工作流量特性
調節閥的流量特性是指介質通過閥門的相對流量與相對開度之間的關系，相對流量用q=Q/Q100來表示，調節閥的流量特性的數學表達式為：
q=f（l）
其特性又受到閥前后壓差和它所在的管路系統的影響。當調節閥前后壓差固定（ΔP=常數）時得到的流量特性稱為理想流量特性。假設調節閥各開度下流通能力與閥節流面積成線性關系，則：
C=C100f
式中：C和C100——調節閥流量系數和額定流量系數。
通過調節閥的流量為：
r為介質密度，當閥全開時，f=1，Q=Q100，則
當ΔP=常數時，由以上公式可得：
q=f
這表明，當閥前后壓差固定時，調節閥的理想流量特性與調節閥的結構特性*相同。
但是，當一臺調節閥接在管路中工作時，閥門開度一定，隨著流量的變化，閥門前后的壓差是變化的，于是理想特性就變成了工作特性。在實際應用中，調節閥安裝在工藝管道系統中，由于除調節閥以外的管道、裝置、設備等存在阻力，并且該阻力損失隨通過管道的流量成平方關系變化。因此，當系統兩端壓差ΔP一定時，調節閥上的壓差ΔPv就會隨著流量的增加而減少，這個壓差的變化也會引起通過調節閥的流量發生變化，因此這時調節閥的理想流量特性就會產生畸變而成為工作特性，如圖2所示。
圖2 調節閥與管道串聯工作
系統的總壓差ΔP等于管路系統的壓差∑ΔPe與調節閥的差壓ΔPv之和，當總壓差ΔP一定時，隨著閥開度增加，管道流量增加，由于設備和管道上的壓力損失∑ΔPe與通過的流量成平方關系，則分配到調節閥上的壓降ΔPv相應減小。這樣，在相同的閥芯位移下，現在的流量要比調節閥上壓降保持不變的理想情況小，調節閥的流量特性將偏離固有特性而發生畸變。通常以閥阻比S100表示調節閥全開時的壓降ΔP100與系統總壓降ΔP之比，它是表示串聯管系中配管狀況的一個重要參數。
對于直線結構特性調節閥，由于串聯管道阻力的影響，直線的理想流量特性畸變成一組斜率越來越小的曲線，如圖3（a）所示。隨著S100值的減小，流量特性將畸變成為快開特性，以致開度到達50%－70%時，流量已接近其全開時的數值。對于等百分比結構特性調節閥，情況相似，見圖3（b）。隨著S100值的減小，流量特性將畸變成為直線特性。在實際使用中，S100值一般不希望低于0.3－0.5。S100很小就意味著調節閥上的壓降在整個管道系統總壓降中所占比重甚小，無足輕重，所以它在較大開度下調節流量的作用也就很不靈敏了。
圖3 串聯管系中調節閥的工作流量特性
對于一個流量調節閥的管道系統，閥阻比S100值越大，說明調節閥的壓降占整個系統的比重越大，調節閥的控制能力就越強；反之，S100值越小則說明調節閥的控制能力越差，也就是當流量增加時，調節閥前后壓降逐漸減少，調節閥的節流面積雖然增大了，但流量并沒有按理想特性增大，而是流量增大速度變緩。隨著S100值的減小，即管道阻力增加，帶來2個不利的后果：一是調節閥的流量特性發生越來越大的畸變，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，這就使小開度時放大系數增加，大開度時放大系數減小，造成小開度時控制不穩定和大開度時控制遲鈍。二是調節閥的可調范圍隨之減小。因此，在實際使用中通常要求S100值不低于0.3—0.5。
在實際使用中，調節閥一般都裝有旁路閥，以備手動操作和維護調節閥之用。當生產量提高或其它原因使介質流量不能滿足工藝生產要求時，可以把旁路閥打開一些，以應生產之需，這就形成了并聯管道的情況，如圖4所示。
圖4 調節閥與管路并聯
并聯管路的總流量是調節閥流量與旁路流量之和，即
Q∑=Q+Qe
令S100為并聯管系中調節閥全開流量Q100與總管zui大流量Q∑max之比時，稱為閥全開流量比，它是表征并聯管系配管情況的一個重要參數。由于旁路閥流量Qe的存在，使得并聯管路的zui小流量Q∑min提高，并使調節閥的實際可調范圍下降，同時流量特性發生畸變。其工作流量特性曲線如圖5所示。
圖5 并聯管系中調節閥的工作流量特性
由圖5可見，當S100=1時，旁路關閉，并聯管道工作流量特性就是調節閥的理想流量特性。隨著S100值的減小，即旁路閥逐漸開大，盡管調節閥本身的流量特性無變化，但管道系統的可調比卻大大下降，這將使管系中可控的流量減小，嚴重時甚至會使并聯管系中調節閥失去控制作用。實際使用時，一般要求S100>018，即旁路流量只占管道總流量的百分之十幾。
三、流量特性的選擇
實際使用的調節閥既有旁路又有串聯設備，因此它的理想流量特性畸變、管道系統可調比下降更為嚴重，調節閥甚至起不了調節作用。因此，我們選擇調節閥的流量特性不僅要考慮控制系統特性、負荷變化，還要考慮S100值的大小。
首先，從控制系統的控制品質去考慮。理想的控制回路，希望它的總放大系數在控制系統的整個操作范圍內保持不變，但在實際生產過程中控制對象的特性往往是非線性的，它的放大系數要隨其外部條件變化。因此，適當選擇調節閥特性，以調節閥的放大系數變化來補償對象放大系數的變化，可將系統的總放大系數整定不變，從而保證控制質量在整個操作范圍內保持一定。若控制對象為線性時，調節閥可采用直線工作特性。但許多的控制對象，其放大系數隨負荷加大而減小，假如我們選用放大系數隨負荷加大而趨大的調節閥，正好補償，等百分比特性具有這種性能，因此得到廣泛應用。
其次，從配管情況考慮。我們*步選出的是閥的工作流量特性。由于調節閥所處的管道系統各不相同，S100值的大小直接引起閥的工作流量特性，偏離其結構特性而發生畸變。因此，當我們根據已定的希望工作流量特性來選取閥的結構特性時，就必須考慮配管情況。S100值大時，調節閥的工作特性畸變小；S100值小時，調節閥的工作特性畸變大。我們可以參考表1選擇閥的結構特性。
表1 閥的結構特性
選擇閥門的結構特性與S100值有很大的關系，S100值大時，調節閥的工作特性畸變小，對控制有利，但也說明調節閥的壓力損失，這樣很不經濟，因此必須綜合考慮，工程設計中一般認為S100值在0.3—0.6之間比較合適。華潤賽力事達玉米工業有限公司結晶糖車間FV－011，介質為糖液的流量調節閥，試運行時工作正常，投產后由于生產量提高擴能，介質流量不能滿足工藝要求，將旁路閥打開，形成了并聯管道的情況，降低了調節閥的可調比，使流量特性發生畸變，控制質量降低。后來將工藝管徑擴大，經過計算S100，選擇了等百分比結構特性調節閥，閥門正常工作。
四、結論
調節閥流量特性在實際應用中會由理想的固有流量特性畸變成工作流量特性，降低了控制質量，甚至達到無法控制。本文剖析了畸變的因素，介紹了選用合適的閥結構特性的方法。了解調節閥流量特性在管道系統中的畸變及其對控制系統質量的影響，選擇合適的調節閥流量特性，可以延長閥的使用壽命，更好地提高控制質量。
