自控工程設計中控制閥的選型
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摘要：闡述了控制閥的選型在過程控制中的重要性及控制閥的工作原理，對控制閥結構形式和材料、流量特性、控制閥口徑、輔助裝置、作用方式、執行機構等六大選型原則進行了重點論述。
1控制閥選型的重要性
調節閥在過程控制中的作用是接受調節器或計算機的控制信號，改變被調介質的流量，使被調參數維持在所要求的范圍內，從而達到生產過程自動化。
調節閥是自控系統中的執行器，它的應用質量直接反應在系統的調節品質上。作為過程控制中的終端元件，人們對它的重要性較過去有了更新的認識。調節閥應用的好壞，除產品自身質量、用戶是否正確安裝、使用、維護外，正確地計算、選型十分重要。由于計算選型的失誤，造成系統開開停停，有的甚至無法投用，設計人員應該認識閥在現場的重要性，必須對調節閥的選型重視，至關重要。
2控制閥的工作原理
要正確選型必須知道控制閥的工作原理，控制閥與孔板一樣是一個局部阻力元件。控制閥的節流面積可以由閥芯的移動來改變，因此是一個可變的節流元件。因此可以把控制閥模擬成節流件孔板的形式。對于不可壓縮流體，根據伯努利方程，控制閥的流量方程為：
P1/ρg+V12/2g=P2/ρg+V22/2g；
V1，V2—節流前后速度；
P1，P2—節流前后壓力；
A——節流面積；
Q——流量；
ζ——阻力系數；
g——重力加速度；
ρ——流體密度。
當控制閥的口徑一定時即控制閥兩端壓差（P1-P2）不變時，流量Q隨阻力系數而變化。減少，Q增大。
3控制閥選型的原則
控制閥由執行機構和閥門兩部分組成，控制閥選型需遵循下面的原則：
3.1根據工藝條件，選擇合適的結構形式和材料
3.1.1根據閥的閥體的結構形式可分為單座閥、雙座閥、角閥、三通閥、偏心旋轉閥、蝶閥、球閥、隔膜閥等。
選擇閥門之前，要對控制過程的介質、工藝條件和參數進行細心的分析，收集足夠的數據，了解系統對調節閥的要求。可以從以下幾個方面考慮：
1）閥芯的形狀結構主要根據所選擇的流量特性和不平衡力等因素考慮。
2）耐磨損性，當流體介質是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時，閥芯、閥座接合面每一次關閉都會受到嚴重摩擦。因此閥門流路要光滑、閥的內部材料要光滑。
3）耐腐蝕，由于介質具有腐蝕性，在能滿足調節功能的情況下，應盡量選擇簡單的閥門。
4）介質的溫度、壓力，當介質的溫度、壓力高且變化大時，應選用閥芯和閥座的材料受溫度、壓力變化小的閥門。
5）防止閃蒸和空化閃蒸和空化，只產生于液體介質。閃蒸和空化不僅影響流量系數的計算，還會形成振動和噪聲，使閥門的使用的壽命變短。
如：套筒閥與偏心旋轉閥在振動和噪聲較大的場合選用套筒閥合適，而介質有黏性或帶有微小顆粒時，則選用偏心旋轉閥較合適。
3.1.2材料的選擇
調節閥的各個零部件，特別是與工藝流體接觸的閥體與閥內組件、材料的正確選擇與調節閥的結構型式和公稱通徑的選擇同樣重要。選擇調節閥材料必須考慮以下各個因素。
1）流體的壓力和溫度對材料的影響。
2）流體腐蝕性對材料的影響。
3）流體的空化現象和泥漿流體對材料的影響。
4）從結構上考慮，材料組配是否有問題。
閥體材料的選擇一般高于管道材料；
a）在高溫情況下，必須充分考慮高溫強度、高溫下的金相組織變化及耐腐蝕性問題。一般含有合金鋼材料：鉻、鎳、鉬等。
b）高溫高壓下，鋼受到氫氣的浸蝕，一般會造成脫碳現象，引起脆化（常稱氫脆）。鋼中加入鉻、鎳、鉬等元素后，它與碳元素結合，可提高鋼的抗氫腐蝕性。
c）在選低溫材料時，要充分考慮低溫沖擊值，還要考慮材料在低溫下出現韌性下降的問題。奧式不銹鋼的低溫機械性能比較穩定，經常采用。（304、316L）
d）當流體是液體，特別是熱水時，必須充分考慮材料的耐氣蝕問題。特別是流體的溫度大于100℃時，用鉻鉬鋼。
e）耐腐蝕材料一般有不銹鋼、20#合金鋼、哈式合金等。
閥內組件材料一般用304、316等不銹鋼，有時根據特殊情況進行硬化處理。
常溫、常壓差不做硬化處理，但閥座要求精度高、泄露小，也應考慮硬化處理。
方法有：熱處理、堆焊硬化層、表面硬化處理等
3.2根據工藝對象的特點，選擇控制閥的流量特性。
控制閥流量特性的選擇，控制閥的流量特性是指介質流過閥門的相對流量與位移（閥門的相對開度）間的關系，理想流量特性主要有直線、等百分比（對數）、拋物線和快開等4種，常用的理想流量特性只有直線、等百分比（對數）、快開三種。拋物線流量特性介于直線和等百分比之間，一般可用等百分比特性來代替，而快開特性主要用于二位調節及程序控制中，因此控制閥特性的選擇實際上是直線和等百分比流量特性的選擇。
控制閥流量特性的選擇可以通過理論計算，但所用的方法和方程都很復雜。選擇的基本原則是；
1）線性流量特性
a）壓差變化小，幾乎恒定；
b）液位定值調節系統；
c）主要干擾為給定值的流量、溫度調節系統。
整個系統的壓力損失大部分分配在閥上（開度變化，閥上壓差變化相對較小。大多數選用等百分比流量特性。
2）等百分比流量特性
a）要求大的可調范圍；
b）管道系統壓力損失大；
c）開度變化、閥上壓差變化相對較大；
d）流量、壓力、溫度定值調節系統；
e）主要干擾為給定值的壓力調節系統；
f）各種調節系統。
3.3根據工藝操作參數，選擇合適的控制閥口徑尺寸
控制閥口徑的選擇和確定主要依據閥的流通能力即Cv。在各種工程的儀表設計和選型時，都要對控制閥進行Cv計算，并提供控制閥設計說明書。
從控制閥的Cv計算到閥的口徑確定，一般需經以下步驟：
1）計算流量的確定。現有的生產能力、設備負荷及介質的狀況，決定計算流量的Qmax和Qmin。
2）閥前后壓差的確定。根據已選擇的閥流量特性及系統特點選定S（阻力系數），再確定計算壓差。
3）計算Cv。根據所調節的介質選擇合適的計算公式和圖表，求得Cmax和Cmin。
液體：a）Cv值計算公式為：
式中：Q=zui大流量m3/h
G=比重（水=1）
P1=進口壓力Kgf/cm2
P2=出口壓力Kgf/cm2
上面的公式只適用于流體流動呈紊流狀態，或雷諾數大的場合，流體接近層流或雷諾數小的場合，上述公式必須進行粘度修正。
當飽和溫度的熱水或者接近飽和溫度的熱水，流經控制閥節流口壓力會降低，控制閥出口處的水中可能會有水蒸氣。在這流動條件下，液體流動的基本定律就不再是正確的。控制閥的CV值的計算就需要修正。在這種情況下，應按下列步驟進行：
△T<2.8℃（58/）△PC=0.06×P12）
△T>2.8℃（58/）△PC=0.9×（P1×PS）3）
△T=在進口壓力下的液體飽和溫度與進口溫度之差。
△PC=計算流量用的允許壓差（Kgf/cm2）
PS=進口溫度下液體的飽和壓力（Kgf/cm2abs）
只有當公式2）或3）計算出△PC的小于控制閥上的實際壓差△P時，公式1）必須用△PC代替△P；
除水以外的其它液體，一般的計算辦法是計算出閃蒸的比率，然后分別計算出液體和氣體的Cv值，他們之和作為計算結果。閃蒸的比率：
X=（i1-i2）/r2=Cp（T1-T2）/r2
i1進口溫度T1下的熱量（Kal/kg）；
i2出口壓力P2的飽和溫度（T2）下的熱量（Kal/kg）；
r2出口壓力P2的飽和溫度（T2）下的潛熱（Kal/kg）；
Cp=（T1+T2）/2的液體比熱（Kal/kg）
b）氣體計算公式：氣體在△P≥P1/2狀態時，氣體的流速達到音速，流量會達到飽和狀態。壓差再增大，流量也不會增加了。因此分為兩種情況討論：
△P<P1/2和△P≥P1/2，
△P<P1/2，
Q：zui大流量，比重（空氣=1），
T：流體溫度（℃），
P1：進口壓力（Kgf/cm2），
P2：進口壓力（Kgf/cm2）；△P=P1-P2
c）水蒸汽計算公式
△P<P1/2和△P≥P1/2，
△P<P1/2，
P1：進口壓力（Kgf/cm2），
P2：進口壓力（Kgf/cm2）；△P=P1-P2zui大流量（kg/hr）
d）其它水蒸汽的計算公式：
當P2<P1/2時，應用P1/2代替△P；V2用P1/2相對應的值。
W：zui大流量（Kg/hr）
V1：在進口壓力P1下蒸汽比容（cm3/gratP1）
V2：在出口壓力P2下蒸汽比容（cm3/gratP2）
P1：進口壓力（Kgf/cm2）
P2：進口壓力（Kgf/cm2）；△P=P1-P2
4）選用Cv。
計算出zui大流量、正常流量、zui小流量對應的流量系數Cmax、Cnor，Cmin后，根據已確定的控制閥的選型，在該系列中控制閥的流量系數中不小于zui接近于此Cmax值的一個，作為zui終選定的流量系數C100。
