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1、调节阀计算选型使用一调节阀综述目录1 调节阀的发展历程2 调节阀在系统中的作用与重要性3 调节阀的使用功能4 十大类调节阀的功能优劣比较5 调节阀标准与性能6 调节阀泄漏标准的细分7 调节阀在使用中存在的主要问题8 九十年代调节阀的新发展9 调节阀三代产品的初步划分10 电动调节阀的应用前景1、调节阀的发展历程调节阀的发展自 20 世纪初始至今已有七、八十年的历史，先后产生了十个大类的调节阀产品、自力式阀和定位器等，其发展历程如下：20 年代：原始的稳定压力用的调节阀问世。30 年代：以“V”型缺口的双座阀和单座阀为代表产品问世。40 年代：出现定位器，调节阀新品种进一步产生，出现隔膜阀、角型
2、阀、蝶阀、球阀等。50 年代：球阀得到较大的推广使用，三通阀代替两台单座阀投入系统。60 年代：在国内对上述产品进行了系列化的改进设计和标准化、规范化后，国内才才有了完整系列产品。现在我们还在大量使用的单座阀、双座阀、角型阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀七种产品仍然是六十年代水平的产品。这时，国外开始推出了第八种结构调节阀套筒阀。70 年代：又一种新结构的产品偏心旋转阀问世（第九大类结构的调节阀品种）。这一时期套筒阀在国外被广泛应用。70年代末，国内联合设计了套筒阀，使中国有了自己的套筒阀产品系列。80 年代：80 年代初由于改革开放，中国成功引进了石化装置和调节阀技术，使套筒阀、偏心旋转阀得到
3、了推广使用,尤其是套筒阀,大有取代单、双座阀之势,其使用越来越广。80 年代末,调节阀又一重大进展是日本的Cv3000 和精小型调节阀，它们在结构方面，将单弹簧的气动薄膜执行机构改为多弹簧式薄膜执行机构，阀的结构只是改进，不是改变。它的突出特点是使调节阀的重量和高度下降30，流量系数提高30。90 年代：90 年代的重点是在可靠性、特殊疑难产品的攻关、改进、提高上。到了90 年代末，由华林公司推出了第十种结构的产品全功能超轻型阀。它突出的特点是在可靠性上、功能上和重量上的突破。功能上的突破唯一具备全功能的产品，故此，可由一种产品代替众多功能上不齐全的产品，使选型简化、使用简化、品种简化；在重量
4、上的突破比主导产品单座阀、双座阀、套筒阀轻 7080，比精小型阀还轻4050；可靠性的突破解决了传统阀一系列不可靠性因素，如密封的可靠性、定位的可靠性、动作的可靠性等。该产品的问世，使中国的调节阀技术和应用水平达到了九十年代末先进水平；它是对调节阀的重大突破；尤其是电子式全功能超轻型阀，必将成为下世纪调节阀的主流。2 调节阀在系统中的作用与重要性调节阀在调节系统中是必不可少的，它是组成工业自动化系统的重要环节，被称之为生产过程自动化的“手脚”。如下图1 所示。自动调节系统的构成气动调节阀(又称气动执行器)是以压缩空气为动力能源的一种自动执行器.它具有结构简单、动作可靠、性能稳定、价格低廉、维修
5、方便、防火防爆等特点，不仅能与气动调节仪表、气动单元组合仪表配用，而且通过电气转换器或电气阀门定位器还能与电动调节仪表、电动单元组合仪表配套。它广泛地应用于化工、石油、冶金、电站、轻纺等工业部门中。正由于调节阀结构简单，往往受不到重视，这是值得注意的。调节阀是直接安装在工艺管道上，使用条件恶劣，如高温高压、深度冷冻、极毒、易燃、易爆、易渗透、易结晶、强腐蚀和高粘度等，它的好坏直接影响到系统的质量。如果选型不当或维护不善，就会发生问题。例如，有的调节回路怎样也稳定不好，一直振荡，若在选择上作了改进，将线性特性阀芯改为对数特性阀芯或改变流向之后，调节品质大有改善。又如，有些调节过程中出现持续振荡，
6、原因不在于调节器的比例度的过大或过小，而是由于阀门填料函的干摩擦太大，动作很不灵活。再如，调节阀的泄漏将造成厂区污染，甚至造成事故等。因此，应重视调节阀的作用，加强维护和保养。3 调节阀的使用功能要正确使用调节阀,尤其是选择调节阀,必须首先弄清楚调节阀的使用功能,做到有的放矢,方能选好所需的调节阀。3.1 调节功能顾名思义，调节阀的首要功能就是调节，其主要表现在五个方面：1)流量特性流量特性是反映调节阀的开度与流量的变化关系，以适应不同的系统特性要求，如对流量调节系统反应速度快需对数特性；对温度调节系统反应速度慢,需直线流量特性.流量特性反映了调节阀的调节品质。2)可调范围 R 可调范围反映调
7、节阀可控制的流量范围，用RQmax：Qmin 之比表示。R 越大，调节流量的范围越宽,性能指标就越好.通常阀的 R30,好的阀,如 V 型球阀、全功能阀,R 可达 100200。3)小开度工作性能有些阀受到结构的限制,小开度工作性能差,产生启跳、振荡,R 变得很小(即 Qmin 很大)，如双座阀、衬胶蝶阀。好的阀小开度应有微调功能，即可满足很小流量的调节，且工作又要求十分平衡，这类阀如 V 型球阀、偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀。4)流量系数 Kv 流量系数表示通过流量的能力,同口径 Kv 值越大越好，尤其是球阀、蝶阀、全功能阀,它们的Kv 值是单座阀、双座阀、套筒阀的23 倍。5)调节速度满
8、足系统对阀动作的速度要求。3.2 切断功能切断由阀的泄漏量指标来表示,切断通常指泄漏量小于0.001,它反映阀的内在的质量.在阀的使用中,对国产阀泄漏量大的呼声反映很大。3.3 克服压差功能它通常用阀关闭时的允许压差来表示，允许压差越大，此功能也就越好。如果考虑不周到，阀芯就会被压差顶开，造成阀关不到位，泄漏量超标。因此，保证阀切断就必须克服阀关闭时的工作压差。通常单密封阀的允许压差小，如单座阀、角形阀、隔膜阀、三通阀；双密封的阀和转动类的阀的允许压差大，如双座阀、套筒阀、球阀、全功能超轻型阀。从泄漏量与克服压差两者上看：单密封阀泄漏小但允许压差小；双密封阀泄漏大，允许压差大；只有旋转类阀，泄
9、漏量又小，允许压差又大，这就是旋转类阀使用越来越多的原因。3.4 防堵功能对不干净介质的调节或者即使是干净介质,管道中的焊渣等杂物都可能造成阀堵塞或被卡住,因此要求阀应有较好的防堵功能,使之正常调节.防堵性最好的是流路最简单的旋转类阀,如球阀、蝶阀、偏心阀、全功能超轻型阀;流路复杂的阀、上下衬套导向的阀易造成堵卡,如单座阀、双座阀、套筒阀等.旋转类阀不只是防堵功能好,而且泄漏又小,允许压差又大,因此它的使用将会越来越广泛。3.5 耐蚀功能抵抗介质的腐蚀和冲蚀，以提高阀的使用寿命。阀的腐蚀是由介质的化学性能引起的材质腐蚀问题，通常选用耐腐蚀的材料来解决；冲蚀是由高速流动的介质、含颗粒的介质和产生
10、闪蒸被空化的介质所致。解决的途径是选用耐磨的材料，结构上采用反汽蚀、反冲蚀的措施,对高压阀、大压差工作的调节阀、含颗粒介质使用的调节阀需重点考虑此问题。3.6 耐压功能它反映阀的强度和安全指标，即介质不能通过密封处和阀体缺陷处向外渗漏。出厂时通常用1.5倍公称压力作试验来检验。对高压介质最好是采用锻件结构；铸铁阀的耐压强度是最低的,通常应选铸钢阀。3.7 耐温功能满足不同温度条件下阀的强度和性能，温度的较大变化会使阀体材质的强度降低，因此阀必须满足介质的温度变化范围的要求，使阀在工作温度下有较好的强度和安全保证。3.8 外观反映阀的外观质量且要求仪表化、轻型化、小型化。以往,人们对它不重视,现
11、在正在改变。至目前,调节阀比较理想的外观是电子式全功能超轻型调节阀(见下图)。3.9 重量在满足以上功能的情况下，其重量应越轻越好，以方便使用，如起吊、安装、维护等。4 十大类调节阀的功能优劣比较调节阀有十个大类，其九大功能具备的优劣情况如何呢？为了减少幅面，特汇总在下表中。功能调节切断 克服压差防堵耐蚀 耐压 耐温重量外观 最佳数量直行程单座阀0 4 双座阀0 4 套筒阀0 4 角形阀0 0 4 三通阀0 3 隔膜阀0 2 角行程蝶阀0 7 球阀7 偏心阀7 全功能阀9 符号说明：“”表示最佳；“0”表示基本可以；“”表示差。从上述比较表中我们可以看出：（1）主导产品单座阀、双座阀、套筒阀的
12、最佳功能仅有4 个，故在使用中常出问题。（2）蝶阀是较好的产品,最佳功能有 7 个,切断蝶阀会有更多的应用。故此,我们开发了球面硬密封切断蝶阀,三偏心蝶阀等高性能蝶阀，弥补了普通蝶阀泄漏大的不足。（3）全功能超轻型调节阀是唯一在九大功能上都为最佳功能的产品，故冠名为全功能。由此特点,它使原来上百个品种、上千个系列、上万个规格的调节阀得到大大简化，使设计院选型更加简化;使工厂管理、维护、维修、备品备件等更加简化。5 调节阀标准与性能气动调节阀国标 GB4213-84气动调节阀通用技术条件于1984年 3 月 21日发布,于 1985 年 1月 1 日实施。本标准又于 1992年进行了修改,修改后
13、的标准代号为GB/T4213-92,于 1993年 10月实施。该标准主要依据 IEC 国际标准,并结合我国具体情况而制定.原执行的部标自新国标实施之日起作废.新旧标准比较，主要有以下不同：(1)新国标增加了“寿命”指标,共计 14个性能指标：1 基本误差；2 回差；3 死区；4 始终点偏差；5 额定行程偏差；6 泄漏量；7 填料函及其它连接处的密封性：8 气室的密封性；9 耐压强度；10额定流量系数；11固有流量特性；12 抗振动性；13动作寿命；14 外观。(2)新国标对基本误差、回差、死区、始终点偏差、额定行程偏差分为A、B、,H、这 8 个等级,以便根据不同阀满足不同功能的要求选择性能
14、成本比最佳的指标等级。旧标准针对每种阀而确定一个唯一对应的指标,缺乏灵活性。(3)新国标对泄漏量规定为A、B,F，这 6 个等级，最高 F 级以每分钟气泡数计。旧标准只有一个等级，高压阀规定泄漏量为0 是不符合实际的。(4)流量特性误差检验方法，新国标增加了按斜率法检验的方法。(5)新国标将旧标准流通能力改称流量系数。其数值旧标准做了统一规定,新国标由制造厂自行确定,更方便新产品设计定型。(6)对基本误差、回差的测试点由旧标准分为10 个测试点改为 5 个测试点。(7)新国标对调节阀气源和环境温度的要求。气源应为清洁、干燥的空气,不含有明显的腐蚀性气体、溶剂或其他液体.带定位器的调节阀,其气源
15、所含固体微粒数量应少于0.1g/m3,且微粒直径应大于3m,含油量应小于 1ppm。调节阀环境温度为-25+55或 40+70。调节阀工作时应满足上述要求。定位器气源不干净是造成定位器工作不正常的主要原因，占故障率的 2/3 以上，应特别注意这一点。6.1 国标对泄漏量的规定GB/T4213-92的国标标准对泄漏规定了六个等级,其具体规定见下表.其中最低级别为级,不作具体要求;最高级别是级,即为气泡级.当泄漏量大于 0.5KV值时,可免于测试。泄漏等级试验介质试验程序 最大阀座泄漏量由用户与制造厂商定L或 G 1 510-3阀额定容量，1/h L或 G 1 10-3阀额定容量，1/h L 1
16、或 2 10-4阀额定容量，1/h G 1 S1 L 1 或 2 510-4阀额定容量，1/h G 1 S2 G 1 210-4PD，1/h L 2 1.8 10-7PD，1/h G 1 310-3P（下表规定的泄漏量）注:P以 KPa为单位。D为阀座直径，以 mm 为单位。对于可压缩流体体积流量,绝对压力为 101.325KPa和绝对温度为 273K的标准状态下的测定值.试验程序“1”表示 P0.35MPa、介质为水；试验程序“2”表示 P等于工作压差、介质为水或气体。阀座直径 mm 泄漏量mL/min 每分钟气泡数25 40 50 65 0.15 0.30 0.45 0.60 1 2 3
17、4 80 100 150 200 250 300 350 400 0.90 1.70 4.00 6.75 11.1 16.0 21.6 28.4 6 11 27 45 注：每分钟气泡数是用外径6mm、壁厚 1mm 的管子垂直浸入水下510mm 深度的条件下测得的，管端表面应光滑，无倒角和毛刺。如果阀座直径与表列值之一相差2mm 以上，则泄漏系数可假设泄漏量与阀座直径的平方成正比的情况下通过类推法取得。额定容量按计算公式条件PP1PP1液体气体Qg4.73Kv表中：Q1 液体流量，m3/h Qg标准状态下的气体流量，m3/h KV额定流量系数Pm，KPa P1阀前绝对压力，KPa P2阀后绝对压
18、力，KPa P阀前后压差，KPa t试验介质温度，取20 G气体比重，空气 1 相对密度（规定温度范围内的水1）6.2 美国的泄漏标准美国 ANSI B16104-1976 调节阀的泄漏量标准见下表。级别最小泄漏量试验介质压力和温度级0.5 额定 Cv 空气或水工作压差 P或 50磅/英寸 2(3.5巴)压差取其中较小的一个值,温度 1052级0.1 额定 Cv 空气或水工作压差 P或 50磅/英寸 2(3.5巴)压差取其中较小的一个值,温度 1052级0.01 额定 Cv 空气或水工作压差 P或 50磅/英寸 2(3.5巴)压差取其中较小的一个值,温度 1052级510-12m3/秒/巴(压
19、差)/mm 阀座直径(公制)水工作压差 P或，温度 1052级阀座直径汽泡/分ml/分空气或氮气工作压差 P或 50磅/英寸 2(3.5巴)压差取其中较小的一个值,温度 1052（in）（mm）1 25 1 0.15 1.5 38 2 0.30 2 51 3 0.45 2.5 64 4 0.60 3 76 6 0.90 4 102 27 1.70 6 152 27 4.00 8 203 45 6.75 6.3 泄漏标准的细分和定量概念我们认为，上述标准划分还不够细腻，特别是级密封级密封，其泄漏率由 10-4突然跳跃到 10-7，猛增 1000 倍。为此，笔者认为应将泄漏标准与切断的关系进一步细
20、分。切断的等级与泄漏率见下表。同时,为了有一个量的概念,现列举 Kv100（双座阀 DN100、单座阀 DN80 100、套筒阀 DN100、V型球阀 DN50、全功能阀 DN50时的 Kv 值 100）时,试验 P0.35 MPa、介质为水,每分钟在不同等级时的泄漏量（g/min）也列举在下表中。切断等级一般切断较严密切断 严密切断完全切断10-410-510-610-710-8微气泡级 Kv100、P0.35 MPa 介质为水，每分钟的泄漏量克分310 31 3.1 0.31 0.031 标准中的级数气泡转化为：滴水分4650 465 46 4.6 0.46/注：lg 15滴水7调节阀在使
21、用中存在的主要问题调节阀是工业自动化仪表中使用问题最多的产品,也是更新换代最慢的产品,几十年一贯制,到现在,还是以五六十年代水平的产品单座阀、双座阀、套筒阀为主导产品(占 70左右),可见,产品陈旧落后;另方面,使用的问题也很突出.为了寻找调节阀的突破方向,在九五 计划的初期,笔者首先对调节阀进行了专门的问卷调查,得到的结论是：(1)反映调节阀不象仪表、太笨重的占33.3；(2)反映品种、规格繁多，选型复杂、工厂管理复杂、维护工作量大的占67.1；(3)反映泄漏大的占42.5；(4)反映经常堵卡、动作迟钝的占25.8；(5)反映寿命短的占13.7；(6)反映推力不够、阀关不严的占9.6；(7)
22、反映流量系数小、调节范围小的占5.2；(8)反映阀外漏的占4.3；(9)反映振动、振荡、啸叫的占1.7。在对上述存在问题作进一步的归纳分析后，得出最突出的问题有四个：(1)笨重:回头看一下调节阀的重量,一台 DN200 的阀重 700800 公斤,一台 DN300 的阀重 900 1000 公斤,对它们的运输、安装、维护都必须要用吊车才能够进行，用户对此反映极为强烈；(2)品种规格繁多:单座阀、双座阀、套筒阀等产品加上压力、温度、特性等变型参数总计达10000多个规格，造成调节阀选型、工厂管理复杂化；(3)泄漏大：一是产品结构缺陷所致;二是没有考虑密封的可靠性;三是执行机构推力不够 (4)调节
23、阀堵卡：阀的流路复杂，不干净介质必定造成堵卡。归纳起来,从阀的结构上找原因,主要是片面地追求出厂性能,忽视了阀的可靠性;从使用上找原因,阀的选型不全面(也怪阀的品种规格太多,给选型带来了难度)。对调节阀使用中的问题分析、处理见第七篇。8九十年代调节阀的新发展六十年代调节阀的发展，在国外主要是推出了套筒阀，在国内主要是联合设计了单座阀、双座阀、角形阀等老产品；七十年代产生了偏心旋转阀；八十年代主要是精小型调节阀；九十年代主要是解决特殊疑难阀的使用问题，以往在使用上的老大难相继被解决，如高压阀的汽蚀问题、强腐蚀介质的腐蚀问题、不干净介质的堵塞问题、超小流量的调节问题、0.2 秒紧急动作等,但较长一
24、段时间里，均没有新的调节阀品种问世。直到1998 年，华林公司推出了新一代产品全功能超轻型调节阀，它主要针对调节阀使用存在的问题调节阀功能不齐全、可靠性差、调节阀笨重，并对此进行立项逐一攻关的结果。它综合了旋转类调节阀的优点而产生的又一新品种，具有功能齐全(故称全功能)、重量轻(比单、双座阀、套筒阀等老产品轻7080,比 80年代的精小型阀还轻4050，故称超轻型)、高可靠性的特点，对整个调节阀产生了重大突破,它使中国的调节阀水平大大地提高，并缩短了与国外的差距。作为新的一代产品，它必将取代老一代产品，成为下一世纪调节阀的应用主流。9调节阀三代产品的初步划分从本世纪初到现在的七八十年的时间里，
25、调节阀还处于第一代产品的水平上。其特征是：以六、七十年代水平的单座阀、双座阀、套筒阀为主导产品；这代产品功能不齐全，不得不依靠扩充产品品种、变型来适应各种不同的场合，造成了品种规格繁多，对调节阀使用、计算、选型、调校、维护、备件等要求特别高；可靠性差，使用的问题多；十分笨重。第二代产品将从可靠性、功能、重量上得到突破。其特征是：全功能超轻型阀代替众多可靠性差、功能不齐全、又十分笨重的产品，即以它代替第一代的主导产品单座阀、双座阀、套筒阀，成为第二代主导产品；电子式电动全功能超轻型阀逐步取代传统的因原执行机构可靠性差，不得不采用的“气动阀+电气阀门定位器+气源”的组合方式，从第二代产品的气动阀使
26、用为主变成以电子式电动阀为主，这代产品预计要 10 年时间(20002010年)。第三代产品就是智能化。在应用上的特点是：与计算机接口；可靠性更加提高，故障率进一步下降；调节阀的品种以及对调节阀的使用要求进一步的简化。10 电动调节阀的应用前景随着电子产品不断进步，尤其是可靠性的进一步提高，使得九十年代国外电动执行机构产生了质的飞跃，其突出的表现是：可靠性极高，可以在5-10 年内免维修；重量大幅度下降，比老式的DKZ、DKJ 的电动执行机构轻7080；外观也得到了极大的改善；性能提高、调整简化、使用更加方便、简单。值得一提的是，国内的执行机构与之差距太大，仍处于六七十年代的水平。正由于电动执
27、行机构的可靠性得到了根本上的解决，配上高可靠性的全功能超轻型调节阀，使得调节阀成为了真正意义上的第二代产品，到下世纪初，这种高可靠性电子式全功能超轻型调节阀必将逐步取代传统的“气动阀+电气阀门定位器+气源”的组合方式。除上述高可靠、全功能、超轻型的特点外，还将带来如下好处：(1)用电源既方便又节约，省去了建立气源站的一系列费用；(2)用“气动阀+电气阀门定位器+气源”的复杂方式，它不只是增加了费用，反而带来了可靠性的下降(环节越多，可靠性差的因素增加)；(3)从经济性上看，除省去气源站的费用外，还省去电气阀门定位器的费用：现在一台好的进口的电气阀门定位器,通常在 50006000元以上,更好的
28、在 800010000的价位上,而这个价位基本上可购回上述高可靠的电子式执行机构；(4)环节减少了，相应减少了维修工作量。二、调节阀计算目录1 流量系数 KV 的来历2 流量系数定义3 原流量系数 Kv 计算公式4 KV 值计算新公式5 调节阀口径计算6 国际电工委员会推荐的新公式简介1 流量系数 Kv 的来历调节阀同孔板一样，是一个局部阻力元件。前者，由于节流面积可以由阀芯的移动来改变，因此是一个可变的节流元件；后者只不过孔径不能改变而已。可是，我们把调节阀模拟成孔板节流形式，见下图。调节阀节流模拟对不可压流体，代入伯努利方程为：（1）解出命再根据连续方程 Q AV，与上面公式连解可得：（2
29、）这就是调节阀的流量方程，推导中代号及单位为：V1、V2 节流前后速度；V平均流速；P1、P2节流前后压力，100KPa；A 节流面积，cm2；Q 流量，cm3 S；阻力系数；r 重度，Kgfcm3；g加速度，g=981cm/s2；如果将上述 Q、P1、P2、r 采用工程单位，即：Q m3/h；P1、P2100KPa；rgf/cm3。于是公式（2）变为：Q5.04（3）再令流量 Q的系数为 Kv，即：Kv 或（4）这就是流量系数 Kv的来历。从流量系数Kv 的来历及含义中，我们可以推论出：（1）Kv值有两个表达式：Kv 和；（2）用 Kv 公式可求阀的阻力系数；（3），可见阀阻力越大Kv值越小
30、；（4），所以口径越大Kv越大。2 流量系数定义在前面不可压流体的流量方程(3)中,令流量 Q 的系数为 Kv,故 Kv 称流量系数;另一方面,从公式(4)中知道：，即 Kv 的大小反映调节阀流量Q 的大小。流量系数Kv 国内习惯称为流通能力，现新国际已改称为流量系数。2.1 流量系数定义对不可压流体,Kv 是 Q、P 的函数。不同 P、r 时 Kv 值不同。为反映不同调节阀结构,不同口径流量系数的大小,需要跟调节阀统一一个试验条件,在相同试验条件下,Kv 的大小就反映了该调节阀的流量系数的大小。于是调节阀流量系数Kv 的定义为：当调节阀全开,阀两端压差 P 为 100KPa,流体重度 r 为
31、 lgf/cm3(常温水)时,每小时流经调节阀的流量数(此时),以 m3/h 或 th 计。例如:有一台 Kv50的调节阀,则表示当阀两端压差为100KPa 时,每小时的水量是50m3h。2.2 Kv 与 Cv 值的换算国外，流量系数常以Cv 表示，其定义的条件与国内不同。Cv 的定义为：当调节阀全开，阀两端压差 P为 1 磅英寸 2，介质为 60F 清水时每分钟流经调节阀的流量数，以加仑分计。由于 Kv 与 Cv 定义不同，试验所测得的数值不同，它们之间的换算关系:Cv 1.167Kv（5）2.3 推论从定义中我们可以明确在应用中需要注意的两个问题：（1）流量系数 Kv 不完全表示为阀的流量
32、，唯一在当介质为常温水，压差为100KPa时，Kv 才为流量 Q；同样 Kv 值下，r、P不同，通过阀的流量不同。（2）Kv 是流量系数，故没单位。但是许多资料、说明书都错误地带上单位，值得改正。3 原流量系数 Kv 计算公式3.1 不可压流体的流量系数公式公式（4）是以不可压流体来推导的，此公式即为不可压流体的流量系数公式。3.2 可压流体的流量系数公式可压流体由于考虑的角度不同，有不同的计算公式，主要采用的是压缩系数法和平均重度法两种。压缩系数法是在不可压流体流量系数公式（4）基础上乘上一个压缩系数而来，即或将 r 换算成标准状态（0、760mmHg）的气体重度：于是得出（6）式中，压缩系
33、数，由试验确定为 10.46PP1，在饱和状态时，PP10.5，此时流量不再随 P的增加而增加，即产生了阻塞流（阻塞流的定义为：流体通过调节阀时，所达到的最大极限流量状态），见下图。Q曲线10.460.5 0.76；t介质温度，；N在标准状态下的参数。用于蒸气计算时，计算公式略有不同3.3 平均重度法平均重度法公式推导要复杂得多。在推导中将调节阀相当长度为L、断面为 A的管道来代替，并假定介质为理想流体，当介质稳定地流过管道时，采用可压缩流体流量方程式：（211）式中，摩擦功；g 加速度。在上式基础上，再引入三个辅助方程：理想气体多变热力过程的变化规律方程 P1V1m 常数状态方程 P1V1
34、RT1 连续方程 VAv 常数以上三式中：v比容；m多变指数；R气体常数；T绝对温度；V流速。由上述 4 个方程通过一系列纯数学推导（略），得到其流量方程为：为简化公式，把实际流动简化为等温度变化来处理，故取m1。同时，把物理常数代入，即可整理得：（7）当PP1 0.5 时，流量饱和，故以 P 0.5P1代入上式得：（8）同样，蒸气的计算公式也是在公式（7）、（8）基础上推导出来的。综合上述，把原各种介质的Kv 值计算公式汇总在下表中。流体 压差条件计算公式液体G 重量流量（t h）气体压缩系数法平均重度法一般气体一般气体蒸气 Gs重量流量4 Kv 值计算新公式目前，调节阀计算技术国外发展很快
35、，就KV 值计算公式而言，早在20 世纪 70 年代初 ISA（国际标准协会标准）就规定了新的计算公式，国际电工委员会IEC 也正在制定常用介质的计算公式。下面介绍一种在平均重度法公式基础上加以修正的新公式。4.1 原公式推导中存在的问题4.2 压力恢复系数 FL4.3 梅索尼兰公司的公式FL 修正法4.1 原公式推导中存在的问题在前节的 KV 值计算公式推导中，我们可以看出原公式推导中存在如下问题：（1）把调节阀模拟为简单形式来推导后，未考虑与不同阀结构实际流动之间的修正问题。（2）在饱和状态下，阻塞流动（即流量不再随压差的增加）的差压条件为PP=0.5，同样未考虑不同阀结构对该临界点的影响
36、问题。（3）未考虑低雷诺数和安装条件的影响。4.2 压力恢复系数 FL由 P1在原公式的推导中，认为调节阀节流处由P1直接下降到 P2，见图中虚线所示。阀内的压力恢复压力变化曲线如图中实线所示，存在差压力恢复的情况。不同结构的阀，压力恢复的情况不同。阻力越小的阀，恢复越厉害，越偏离原推导公式的压力曲线，原公式计算的结果与实际误差越大。因此，引入一个表示阀压力恢复程度的系数FL 来对原公式进行修正。FL 称为压力恢复系数（Pressure reecvery factor），其表达式为：（9）式中，PVC、PC表示产生闪蒸时的缩流处压差和阀前后压差.图阀内的压力恢复关键是FL 的试验问题。用透明阀
37、体试验，将会发现当节流处产生闪蒸，即在节流处产生气泡群时，Q 就基本上不随着 P的增加而增加。这个试验说明：产生闪蒸的临界压差就是产生阻塞流的临界压差，故FL 又称临界流量系数(Critical flow factor),因此 FL 既可表示不同阀结构造成的压力恢复,以修正不同阀结构造成的流量系数计算误差,又可用于对正常流动,阻塞流动的差别，即FL 定义公式(9)中的压差 Pc就是该试验阀产生阻塞流动的临界压差。这样,当PPc 时为正常流动,当PPc 时为阻塞流动。从(9)公式中我们即可解出液体介质的Pc为：PCFL2（P1PV）（10）由试验确定的各类阀的FL 值见下表。由试验确定的各类阀的
38、FL 值见下表。调节阀形式流向FL值单座阀柱塞形阀芯流开0.90 流闭0.80“V”形阀芯任意流向0.90 套筒形阀芯流开0.90 流闭0.80 双座阀柱塞形阀芯任意流向0.85“V”形阀芯任意流向0.90 角型阀柱塞形阀芯流开0.80 流闭0.90 套筒形阀芯流开0.85 流闭0.80 文丘里形流闭0.50 球阀“O”型任意流向0.55“V”型任意流向0.57 蝶阀60全开任意流向0.68 90全开任意流向0.55 偏心旋转阀流开0.85 4.3 梅索尼兰公司的公式FL 修正法1）对流体计算公式的修正当PPC时，为正常流动，仍采用原公式（4）；当PPC时，因P增加 Q基本不增加，故以 PC值
39、而不是 P值代入公式（4）计算即可。当 PV 0.5P1 时，意味差有较大的闪蒸，此时PC还应修正，由试验获得：（11）式中：PC表示液体热力学临界点压力，见下表。介质流动状态原计算公式新计算公式流动状态判别计算式流动状态判断计算式液体一般流动无PPC=FL2同原计算式阻塞流动PPC当 PV0.5P1时PC=FL2(P1-PV)当 PV0.5P1时气体一般流动P/P1 0.5 P/P110%没考虑高压阀小开度冲蚀以及小开度易振荡问题一般情况 Kmin10%高压关阀、阀稳定性差时 Kmin10 30%式中代号 Qi 某一开度的流量m3/hKv调节阀的流量系数。K 对应 Qi 的工作开度 P调节阀
40、全开的压差，100KPa r 介质重度，kg/cm3 Kvi 对应 Qi 的计算流量系数 S压差分配比5.4 计算实例 例 1 工作条件为：介质液氨,t 33,r 0.59g/cm3,PV15100KPa,Qmax 15m3/h,对应 Qmax 之P1、P2、Pmin为 530、130、400100KPa,Qmin 5m3/h,Pmax 500100KPa，S0.2,选用高压阀,直线特性,带定位器工作,求口径 DN。解：（1）流量已确定为：Qmax 15m3/h；Qmin 5m3/h。（2）压差确定为：Pmin400100KPa，Pmax 500100KPa。（3）Kv值计算：第一步：查表得
41、FL0.8 第二步：决定流动状态0.5P1Pv PC FL2(P1Pv）0.82(530 15)320100KPa 又 PminPC 均为阻塞流第三步：采用阻塞流动状态的Kv值计算公式1（4）根据 KVmax 0.64 查高压阀流量系数，得DN 10，dg7 其 KV 1.0。（5）开度验算因 Kv1 只有直线特性，应采用直线特性验算公式，故有：Kmax 89%，Kmin 10%，故 Kv1.0 验算合格。（6）可调比验算：R实际 10R实际验算合格（7）压差校核 P P（因 dsdg），校核通过。（8）结论：DN 10，dg7，KV 1.0，验算合格。6.1 公式简介国际电工委员会（IEC）
42、推荐公式见下表，只是气体计算公式方程有所不同。在考虑压力恢复系数 FL 的新概念基础上，不是国内公式和采用FL 修正的新公式中用FL对原平均重度法加以修正的形式，而是采用又一种新的修正方法膨胀系数修正重度法。膨胀系数修正重度法根据流量单位的不同,有体积流量和重量流量之分,前者用于一般气体;后者用于蒸气。对于一般气体,根据已知介质的标准重度 rN、气体分子量 M或对空气的比重G,有 3 种相对应的计算公式;对蒸气,根据已知的入口实际重度或分子量,有两个相对应的计算公式供选用.该方法比平均重度修正法要复杂些.中可看出,膨胀系数修正重度法共引入了8 个新的参数,其中物理参数 4 个：K、PC、TC、
43、M；查图参数 1 个：Z;计算的参数 3 个：XT、FK、Y。由于考虑的因素多些，自然精度更高。介质流动状态计算公式流动状态Kv值计算公式液体一般流动无阻塞流动气体一般流动或或阻塞流动或或蒸气一般流动或阻塞流动或表中代号及单位已经熟悉的代号 QN：气体标准状态下的流量Nm3/hGS：蒸气重量流量kg/h rN：气体标准状态下的重度kg/Nm3 T1：入口绝对温度K P1：阀前绝压 100Kpar1：入口蒸气重度 kg/m3 P：压差 100Kpa（若为过热蒸气时，代入过热条件下的实际重度）G：对空气的比重新引入的代号 FK：比热比系数 FK K1.4Z：压缩系数（由比压力P4PC和比 K：气体
44、的绝热指数温度T1TC查表得 PC为临界压力 TC为临界温度）XT：临界压差比系数 XT0.84FL Y：膨胀系数（Y的范围 0.667 1.0）M：气体的分子量6.2 公式比较计算实例下面，举例看看原平均重度法、平均重度修正法、膨胀系数修正重度法在同样条件下的计算差别。例已知二氧化碳 QN 76000Nm3/h，rN1.977kg/m3，P140100KPa（绝压），P222100KPa，t1 50，选用双座阀，求Kv 值为多少？解：（1）按原平均重度法计算：为一般流动，KV值计算公式为：151.3（2）按平均重度修正法计算：查表得 FL0.85 0.5FL20.5 0.8520.36 0.
45、450.5FL2 为阻塞流动，KV值计算公式为：171.2（3）按膨胀系数修正重度法计算：查有关物理参数得：K1.3；PC 75.42 100KPa；TC 304.2。根据 PC、TC查图得 Z0.827 流动状态差别XT 0.84FL20.84 0.8520.61 FKK/1.4 1.3/1.4 三、不平衡力计算及校核目录1 不平衡力和不平衡力距计算2 输出力定义及计算3 不平衡力的校核4 执行机构的刚度与调节阀稳定性校核1.1不平衡力和不平衡力距计算流体通过调节阀时，受流体作用力影响，产生使阀芯上下移动的轴向力或使阀芯旋转的切向力。对于直行程的调节阀，轴向力影响信号与位移的关系，这一轴向力
46、称为不平衡力，以ft（任意位置时），Ft（关闭位置时）表示。对角位移的调节阀，如蝶阀、偏心旋转阀等，影响其角位移的切向合力矩称为不平衡力矩，以M表示。影响不平衡力（矩）的因素很多，主要是阀的结构型式、压差、流向因素。阀的结构型式中又包括阀的类型、节流形式、阀芯（塞）形状、阀芯正装或反装、阀杆直径与阀座直径大小等关系。从调节阀不平衡力和许用压差计算公式表工作状态中,可以非常直观地看出对单座式调节阀,阀芯正装,流开型,阀关闭时的阀芯所受的不平衡力Ft 为：其它阀的不平衡力（距）的推导道理一样，是一个简单的受力计算。1.2常见调节阀不平衡力计算公式常见的阀计算公式汇总在下表调节阀 工作状态不平衡力（
47、力矩）计算公式单座阀角形阀Ft=双座阀Ft=套筒阀Ft=三通（合流）Ft=三通（分流）Ft=隔膜Ft=蝶阀M=DN2 P 为转矩系数2.1 输出力的正确定义首先我们引入几个符号：ft 表示任意开度的不平衡力；Ft 表示阀关闭时的不平衡力；“-”表示不平衡力的作用方向是将阀芯顶开的；“+”表示不平衡力的作用方向是将阀芯压闭的。过去的定义是：执行机构用来克服不平衡力的力。这个定义有两个问题：调节阀任意开度都存在着不平衡力ft，这样，执行机构任意开度都有输出力克服Ft，使阀信号压力与开度一一对应，ft 变化不影响阀位。实际并非如此，只有带定位器时才有这种功能。克服“+”、“-”ft 问题没有区分，造
48、成混为一体的模糊概念，导致计算错误。表现在现场时，就是有的阀关不死或打不开。我们知道,“-”Ft 对阀芯产生顶开趋势,所需执行机构的输出力应该是克服它顶开,并保证阀密封的力;“+”Ft 对阀芯产生压闭趋势,所需输出力应该是保证阀启动并能走完全行程的力.于是,我们得出输出力的正确定义为:阀处关闭位置时,执行机构具有克服“”Ft,以保证阀的密封,克服“+”Ft,以保证阀正常启动并能走完全行程的力,这种力称为执行机构输出力,以 F 表示。2.2 气动薄膜执行机构输出力的正确计算过去 F 计算，没考虑 Ft 的不同作用方向，笼统地按阀处在“-”Ft 情况来处理，造成阀处在“+”Ft的情况下工作时打不开
49、等问题。下面分两种情况讨论。1）“-”Ft 时的 F计算（1）对气开阀，执行机构的预紧力，即PoAe，作用在阀芯上，克服“”Ft，以保证阀密封。故其 F 为：（0PoPmax Pr）（18）（2）对气闭阀，阀走完全行程，即阀芯接触阀座之后，再继续增加的力才作用在阀芯上克服“”Ft，以保证阀的密封，故其F 为：F（PPr）Ae（PLPPmax)（19）2）“+”Ft 时的 F计算“+”Ft 所需的输出力是将阀芯打开的力。阀关闭时，阀芯受力为“+”Ft，阀一旦启动，它随开度的增加而按 ft变化规律下降。由于阀从关至全开的弹簧张力变化为PrAe，所以当 FtPrAe 时,只要 Ft 下降 PrAe,
50、则弹簧张力相应补偿PrAe,阀靠 Ft 减小而启动至全开。这种阀一旦启动,信号压力不变,靠 Ft 减小而使阀突然打开一个范围,就是我们常说“突然启跳”。当FtPrAe时，小于部分则信号压力的正常改变使阀全开。从上述讨论中可以看出：当“+”Ft PrAe 时,只要保证阀启动就可保证阀全开,不必在信号压力 P中考虑阀全开而扣除Pr,即“+”Ft 的 F 计算,不考虑 Pr 的影响.具体计算如下：（1）对气开阀,首先是克服预紧力,余下的执行机构作用力才能抵抗“+”Ft,把阀芯拉开,故其 F为：F（P-Po）Ae（PoPPmax）（20）（2）对气闭阀,阀的启动是靠信号压力的减小,靠弹簧张力把阀拉开。