滬禹閥門：調節閥相關知識 「基礎知識必學」！

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在過程控制領域，通常會使用調節閥作為流量、壓力、溫度和液位等過程量的操作設備。調節閥由執行機構和閥體兩部分構成，與各種輔助設備(如定位器、電磁閥、升壓器、速度控制器、鎖閉閥等)組合使用可以實現多種功能。

執行機構

根據操作信號以及驅動源消失時的動作方向和流量特性，執行機構和閥體可以有多種不同的結構，此處僅對其中具有代表性的結構進行說明。

調節閥執行機構有氣動式、電動式及電液聯動式，氣動式裝置又分為隔膜式及氣缸式。根據操作信號和驅動源消失時的動作不同，執行機構有正向型、逆向型、無定向型和保持型。正向型在操作信號和驅動源消失時閥門軸會上升，而逆向型則會下降。

執行機構結構原理示意圖

閥體

閥體種類多于驅動裝置種類，根據閥門類型、口徑大小和流體條件進行選擇。有角形閥、三通閥、隔膜閥、閘閥、蝶閥、球閥、偏心旋轉閥等。

球形閥是最常見的類型。將氣壓控制信號傳輸給執行機構，即氣缸式或隔膜式氣動執行機構，使閥桿上下動作。

閥的類型與特點

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類型 特點及應用

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單座球形閥 控制性能好，閥門全閉時泄漏小。

除漿液或強腐蝕性流體外，可廣泛用于水、蒸汽、氣體等。

雙座球形閥 使用兩組閥座與閥塞連動的結構，以減輕驅動裝置的負擔。

閥門全閉時泄漏大、面間尺寸大，所以應用有一定限制。

儀表閥 將氣缸內閥塞改裝為可動的結構

以防止差壓過大造成閥塞振動。

但是需要注意氣缸與閥塞間可能會夾雜纖維和垃圾。

蝶閥 用于爐內壓及氣體燃燒等低差壓的控制。

也有適用于蒸汽和中差壓情況的高性能蝶閥。

球閥 多用于管線切換等ON/OFF操作。

有時也將現有手動閥替換成球閥以實現自動化切換。

偏心旋轉閥 容量大，可用于漿液。

閥塞為碗狀，易受到流體偏壓的影響，應用范圍有限。

桑德斯閥 適用于腐蝕性流體和漿液，但耐久性較差。

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執行機構輔助設備

執行機構輔助設備常見的有氣動閥門定位器、電-氣閥門定位器、電動閥門定位器、電磁閥、升壓器、速度控制器、鎖閉閥等。

在下面做簡單介紹。

1、 氣動閥門定位器

定位器是安裝在驅動裝置上使閥門開度與調節器信號保持一致的設備。

主要用于避免受到流體壓力變動等外力變化的影響，加快驅動裝置的速度。

調節器與閥門分離情況下的響應改善等也使用氣動式儀器。

氣動閥門定位器原理

2、電-氣閥門定位器

電-氣閥門定位器是將電子調節信號4-20mA DC轉變為氣壓信號并改變調節閥門開度的設備。

電-氣閥門定位器原理

3、電動閥門定位器

電動閥門定位器專門與電動閥門組合使用。

在電動驅動部分安裝可逆電機，通過可變電阻(電位計)將閥門開度作為電壓信號反饋給電動閥門定位器。

通過比較器Q1、Q2和繼電器R1、R2，控制可逆電機的正轉、停止或反轉，使調節器信號Vi和開度信號Vf保持一致。

電動閥門定位器的原理

4、電磁閥

電磁閥能起到空氣回路的開關作用。

電磁閥分為2向電磁閥、3向電磁閥、4向電磁閥等，與直接控制流體相比，更常用于開關閥的驅動回路或氣動信號的切換等。

電磁閥的原理

電磁閥應用示例

5、升壓器

調節閥的空氣容量較大或氣動信號傳輸距離較長時，使用升壓器提高響應速度。

升壓器的原理結構

6、速度控制器

速度控制器是安裝在調節器信號和驅動部分之間，使調節器信號延遲的設備。

也可用于防止水錘現象。

可變孔板/調節由針閥構成，延遲時間設定為期望值。

速度控制器的原理結構

7、鎖閉閥

鎖閉閥是當停電或供給氣壓中斷時，可以保持調節閥開度的小型閥門。

在設計時考慮斷電恢復或供給氣壓恢復正常時，鎖閉閥是否恢復至原狀態，并選擇序列或鎖閉閥的類型。

鎖閉閥和應用示例

調節閥的流量特性

調節閥流量特性主要有直線、等百分比、快開和拋物線四種流量特性。

安裝在實際的控制過程中時，閥門差壓會隨流量的變化而變化。即小流量時配管部分的壓力損失較小，閥門差壓會變大，而流量大時閥門差壓變小。這種有別于固有特性的閥門特性稱為有效的流量特性。

快速啟動特性的內閥為盤狀，主要用于開啟/關閉動作。

調節閥閥芯曲面形狀

閥門的流量控制特性由閥門的流量特性和工藝配管、泵等的組合情況決定，根據各控制對象和系統中閥門壓損所占比率在下表中進行選擇。

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控制對象 閥門的流量特性 系統中閥門壓損所占比例

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流量控制或

液位控制 等百分比 40%以下

流量控制或

液位控制 線性 40%以上

壓力控制或

溫度控制 等百分比 50%以下

壓力控制或

溫度控制 線性 50%以上

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由于配管的壓力損失是與流量的平方成比例增加，如果閥門本體的特性呈簡單線性變化，流量小時閥門差壓增大，稍微開啟閥門流量就會很大，流量大時閥門壓差減小，流量不能與閥門的開度成正比。為此，加入配管和泵的特性，實現與流量大小無關，僅與閥門開度成比例變化的流量控制是設計等百分比特性的目的所在。

配管系統和壓力損失

調節閥的動作

根據驅動裝置與閥體的組合可選擇調節閥動作。

驅動裝置與閥體的組合以及閥動作(單座閥的示例)

閥動作包括正動作、逆動作、保持型動作3種方式。隔膜式和氣缸式等氣動式驅動的正動作方式是通過氣壓信號的增加使閥門關閉的方法，又稱為“AIR TO CLOSE”。逆動作方式是通過氣壓信號增加使閥門開啟的方法，又稱為“AIR TO OPEN”或“AIRLESS TO CLOSE”。電操作信號可通過定位器轉換為氣壓信號。操作信號中止或空氣源中斷及停電時，請考慮程序的安全性、合理性選擇閥門關閉或開啟。

例如，在水與酸混合的程序中通過閥控制酸量時，若在電信號線斷線或空氣信號配管泄漏、空氣源中斷以及停電時，關閉酸控制閥是安全及合理的做法，應采用逆動作閥。

調節閥口徑選擇

閥門口徑選擇是根據流體的特性及使用條件，通過計算選出最合適的口徑，計算出必須的流量的容量系數Cv值，對照需要的閥門口徑與閥門容量系數Cv值進行選擇。

1、Cv值的定義

閥門差壓為1psi(0.07kg/cm2=7kPa)，常溫水以每分鐘1加侖(3.785升)的速度流動時，將流量容量系數Cv的值定義為1。

2、Cv值的計算

①液體Cv值的計算

②氣體Cv值的計算

③蒸汽Cv值的計算

3、SI單位系中的定徑方式

定義Av值、Cv值。但是，目前使用比較廣泛的是Cv值。

4、閥門Cv值的計算方法

Cv值分為要求Cv和閥Cv兩種。要求Cv根據閥門差壓和流體條件進行計算。閥Cv是指閥門流通能力，是由閥門的形狀與口徑決定的。選擇閥口徑，要選擇閥Cv比要求Cv略大的閥門。對于Cv無須進行精確的計算。

①Cv的計算

流體為液體時

②閥門Cv值的簡單估算法

1英寸球形閥的Cv值約為10。Cv值隨閥門口徑倍數的平方上下變動，所以2英寸的Cv值約為40。

③計算示例

我們打開水龍頭洗手時的流量大約為5L/min(0.3m3/h)，水壓為0.05MPa左右，開方后約為0.22，所以:

口徑為13mm的閥門的Cv值約為3，口徑為8mm的閥門的Cv值約為1，所以可以確保提供充足的水量。自來水管道通常使用13mm(1/2inch)管和8mm(1/3inch)管，可見，這是能夠取得平衡的合適口徑。