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0 引言

溫度調節閥用以調節工藝生產中介質的溫度，常使用氣動或電動調節。薄膜式調節閥的結構原理如圖1所示。隨工藝物料（氣體或液體）的溫度變化，膜瓣上的壓力發生改變，從而控制閥口的開度。該類閥結構簡單，運行調節范圍寬，穩定性好，操作方便，因而在石油化工生產中廣為應用。

圖1 薄膜調節閥原理

1 設計的技術指標

合理選擇薄膜閥的設計指標是決定其運行特性的根本因素，關鍵指標包括：

1）閥開度系數。閥的開度系數又叫閥阻系數，常用S表示，其計算式可以表述為

S＝△P_f/∑△P。

式中：△P_f為閥上壓力降低量，MPa；∑△P為總壓力降低量，MPa。

2）調節比。用閥的最大流量和最小流量的比值來表征閥的調節范圍，稱為調節比R，其公式為

R=Q_max/Q_min

式中：Q_max為最大流量，m³/h；Q_min為最小流量m³/h。

3）壓縮系數。壓縮系數說明流體的壓縮比例，常用ε來表示，壓縮系數不僅與調節閥通道幾何形狀有關，而且與介質的物理性質有關，氣體壓縮系數為

式中：η為氣體修正系數；P_in為閥入口壓力，MPa。

4）通流能力。閥的通流能力C是閥設計與檢驗的關鍵指標，也作為閥運行特性的主要衡量指標，對于氣體，當P₂＞0.48P₁或△P＜0.52P₁時，通流能力為

當P₂≤0.48P₁或△P≥0.52P₁時，通流能為為

式中：Q_max為最大流量，m³/h；P₁為閥前絕對壓力，MPa；P₂為閥后絕對壓力，MPa；△P為閥上壓力降，MPa；γ為流體密度，kg/m³；T為工作溫度，℃。

2 設計指標的選擇

目前我國生產的調節閥有直線特性、等百分比特性和快開特性三種基本流量特性，對于快開調節閥一般是應用于兩位式調節和程序控制。本文重點研究直線特性和等百分比特性調節閥的計算與選型。

2.1 閥的控制特性選擇

從控制系統的調節品質出發選擇調節閥的流量特性，希望控制回路的總放大系數，在控制系統的整個操作范圍內保持不變。正確的選擇調節閥流量特性主要是選擇閥的放大系數的變化。若調節對象放大系數為線性時，調節閥采用線性工作特性；對于放大系數隨負荷干擾的加大而趨小的調節對象，宜采用等百分比特性閥。

表1列出常用控制系統調節閥特性選擇表，供選擇時參考。表選出的是閥的工作特性，還要參考配管情況即S值來確定閥本身的理想特性。

表1 溫度控制系統調節閥特性選擇

2.2 閥阻選擇

1）一般情況選取。設計時要根據閥控制系統初步決定閥阻的大致范圍，結合閥控制特性的選擇，考慮配管情況對閥阻的影響，常根據表2來選擇閥阻S的大小。

表2 閥阻S特性選擇

在實際的管道安裝中，S值不可能等于1，而往往要低到0.3～0.6左右，S值<0.3以下時，工作特性曲線發生嚴重畸變而無法應用調節。

選擇閥門的理想特性的關鍵是看S值大小，一般對調節閥的壓差選擇為占系統總壓差的30%～50%，即S=0.3～0.5為宜。

2）特殊情況選取：a.當選用的調節閥經常工作在小開度時，宜用等百分比閥，直線閥則用小開度時，放大系數比較大，不便于微調，而且易引起振蕩并加劇閥芯閥座間的磨損，破壞閥的密封性；b.如流通介質有懸浮物，以使用壽命為主要考慮條件時，采用直線閥較好，因它的閥芯曲面較瘦不易磨損；c.如調節系統非常穩定，這時調節閥的行程變動很小，故閥特性對調節質量無多大影響，可任意選用。

3）調節比選取。調節比的選取也即確定閥調節的最大流量和最小流量，設計時可以根據閥的規格和承壓能力確定流量調節范圍。

4）壓縮系數的選擇。壓縮系數根據閥設計選定的最大壓降和最大流量來選擇，可以用最大壓降和最大流量來計算出壓縮系數值。

5）通流能力的計算。根據公式來計算所設計調節閥的通流能力，按計算的通流能力，查閥設計手冊，選定閥的公稱直徑、閥座直徑、閥芯行程和膜頭面積。表3列出了部分直通單座調節閥等百分比特性流通能力C值。

表3 等百分比特性流通能力C值及允許泄漏量

說明：DN為閥公稱直徑；d為閥座直徑；H為行程；A為膜頭有效面積；Cg為公稱通流能力。

3 設計校驗

在選定閥的公稱直徑、閥座直徑、閥芯行程和膜頭面積后，要根據已經設計選定的調節范圍R，計算最大通流能力C_max，驗算最大流量時的開啟度，要求最大開啟度在90%即可。

對直線特性，開啟度為：

對等百分比特性，開啟度為

式中：R為調節范圍；C_max為計算最大通流能力；C_g為公稱通流能力。

4 結語

因為閥門調節是在調節范圍內的連續性調節，所以閥門設計很少考慮閥門控制需求的工藝指標，而是根據閥門的承壓能力和接管需求；對閥門的控制性能是在閥門設計完成以后來進行核算出來，成為閥門的性能指標，這種閥門在滿足工藝需求和控制特性上存在不足，常常是控制特性不匹配，閥門調節很難控制。

本文從閥門控制的特性指標出發，依據閥門設計壓力、控制特性、閥阻系數、流體壓縮特性、調節范圍和通流能力等工藝性能指標，同時依據閥門設計標準和設計手冊，提出了一種全新的閥門設計過程，使得閥門控制特性相互匹配，更好地滿足工藝控制需求。

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