控制阀选择要点—选好工作压差和重视关闭压差李宝华摘要：工业过程控制阀是一种根据用户操作条件（过程数据）而量身定制的系列产品，有多种类型，不同的应用场合有各自适合的解决方案，合理地进行控制阀选择才能更好地发挥其在过程控制中的终端控制作用。

控制阀的选择要点有流量计算、噪声预估、适用类型、阀体材料、关闭要求和阀座泄漏量、流量特性、端面连接、密封及填料、相关附件、安全应用，等等，这些要点一直备受关注。

本文试对控制阀选择要点中的选型计算所依据的关键过程数据-工作压差和关闭压差进行探讨。

关键词：控制阀；选择要点；关键过程数据；工作压差；关闭压差。

引言工业过程控制阀（）是自动控制的终端控制元件，是工业现场使用最多的执行器。

控制阀组件或控制阀装置简称控制阀（又称调节阀），是一种根据用户操作条件（过程数据）而量身定制的系列产品。

控制阀有多种类型，不同的应用场合有各自适合的解决方案，合理地进行控制阀选择才能更好地发挥其在过程控制中的终端控制作用。

控制阀的选择主要表现在结构类型、作用方式、流量特性和流通口径等方面，其选择要点有流量计算、噪声预估、适用类型、阀体材料、关闭要求和阀座泄漏量、流量特性、端面连接、密封及填料、相关附件、安全应用，等等，这些要点一直备受关注。

本文试对控制阀选择要点中的选型计算所依据的关键过程数据工作压差和关闭压差进行探讨。

控制阀的选择控制阀的选择包括：根据工艺条件，选择合适的结构和类型；根据工艺对象的特点，选择合适的流量特性；根据工艺参数，选择阀门口径；根据工艺压力和选用阀门情况，选择合适的执行机构；根据工艺过程的要求，选择合适的辅助装置。

选择的基点是控制阀的适用性和经济性，量身定制、最优组合。

控制阀的选择顺序为：确认选择条件、根据工艺条件初选阀的型式、选择和计算流量系数、选择流量特性、确定相关结构和执行机构、作用方式组合选择、确定所需的附件。

控制阀的选择的考虑因素有：被调介质的种类、温度、压力、密度、粘度、腐蚀性；控制阀入口压力范围与出口压力范围；介质的流量范围；进出口管道材质与尺寸、连接方式；执行机构的类型与要求；噪音水平；安全方面的考虑。

控制阀的选择中决定控制阀结构和类型的因素有：控制阀的压力等级、工作压差、流通能力、调节频率、控制性能、可调比、噪音、振动、气蚀、腐蚀、冲刷、可维修性、经济性。

在控制阀众多选择条件中，控制阀的工作压差和关闭压差是关键的过程数据，工作压差（或称为调节压差）主导着流量系数（流通能力）的计算选择和影响着流量特性的选择；关闭压差主导着执行机构的输出力矩（扭矩）的计算选择和影响着型式的选择，关系着控制阀的紧密关闭；此外，两者都用于确定控制阀的结构和类型。

因此，在控制阀计算选择时一定要选好工作压差和重视关闭压差。

图1 控制阀的选择图2 控制阀数据表（局部）控制阀工作压差和关闭压差的取压点在和推荐的控制阀数据表中（图），首要就是有关选择控制阀的过程数据，工艺流体条件和管道连接条件都是要求用户（或设计者）必须准确提供出来的安装条件下的操作参数。

控制阀计算选型依据的过程数据为：工艺数据的流量、阀前压力（入口压力）、阀后压力（出口压力）、温度；介质数据的密度、入口温度下液体蒸汽压（液体）、临界压力（液体）、等熵指数（蒸汽或气体）、压缩系数（气体）、粘度。

控制阀数据表中的序号的入口压力与序号的出口压力的差值就是控制阀的工作压差，即控制阀处于调节开度和相应流通流量时的压差，要求给出对应最小、正常和最大流量三种工况的入口出口压力数据（取绝对压力数值），计算时取值控制阀处于全开位置的工作压差，再验证不同工况的开度；序号为关闭压力和，其差值就是控制阀的关闭压差，即控制阀处于全关位置时切断关闭所承受的最大压差。

和数值均要求为绝对压力。

供控制阀选择计算用的控制阀入口压力和控制阀出口压力，定义的取压点位置是在控制阀前、后处（图），控制阀不带或带附加管（缩径管、扩径管），计算出的流量及流量系数被假定包括这两取压点间的全部压力损失。

工作压差：主导流量系数的计算选择控制阀的流量系数用于说明规定条件下控制阀流通能力的基本参数。

控制阀在安装条件下流体流量的计算是控制阀选型最重要的理论依据，控制阀应用所在的充满流体的封闭管道主要是流体的压差流动，因此控制阀的工作压差主导着流量系数的计算选择。

在控制阀流量计算时，要先按照压差或压差比公式进行阻塞流量判定，这就要先确定计算所用的压差（入口压力和出口压力之差⊿，即工作压差）或压差比（工作压差与入口压力之比）。

通常情况下，计算工作压差的操作条件下的出口压力不为零，这与计算关闭压差时的出口压力一般取值大气压不同。

参照表给出的国际标准（）的控制阀流量计算公式（流量系数），控制阀工作压差可判定为计算压差或阻塞流压差以及推算出压差比或阻塞流压差比，进而按照流量计算公式得出计算的流量系数或。

控制阀供应方则根据计算的流量系数进行靠档圆整，去靠近选择具体的控制阀产品（包括不同类型不同公称通径）的额定流量系数及确定公称通径，并使控制阀开度在最大流量时不超过（等百分比）或（线性）、正常流量时在、最小流量时不小于。

从过程工艺的角度出发，除个别高压减压操作外，通常考虑控制阀应具有较小的工作压差，避免不必要的能耗和影响总管阻。

从自动控制的角度出发，通常考虑控制阀应具有较大的工作压差，以便提升额定流通容量和选择较小公称通径的控制阀。

要协调好过程工艺和自动控制的声索，使控制阀满足适用性和经济性，控制阀流通截面积不偏大不偏小，既合乎过程控制要求，又经济合理，就要正确确定控制阀的工作压差。

另一方面，工程设计者或制造厂商也会依据经验值来选取控制阀的工作压差在区间。

工作压差：影响流量特性控制阀的流量特性用以补偿过程被调对象的特性，使回路总动态特性能满足控制系统稳定运行。

理想的流量特性主要有线性、等百分比、抛物线及快开等四种（图、图），套筒阀、柱塞球形阀、形开口阀可以在阀内件选择不同的阀芯形状决定不同的流量特性，蝶阀、球阀、隔膜阀、偏心旋转阀固有特性不易修改，蝶阀近似为快开流量特性，球阀近似为等百分比和抛物线流量特性，或通过阀门定位器改变流量特性。

具体选择以工程设计者或制造厂商为主，通常选线性和等百分比流量特性，根据配管情况及控制阀压降比来决定理想流量特性。

实际应用时，控制阀安装在流体管路上，在过程系统总管压降一定的情况下，当流量发生变化时，管路压降在变化，控制阀节流面积变化也使工作压差随之变化，实际工作流量特性将偏离理想流量特性。

控制阀压降比是在控制阀全开时其工作压差与过程系统总管压降的比值。

当压降比时，管路压降为零，系统压降全部降落在控制阀两端，流量特性不发生畸变，实际工作流量特性与理想流量特性相同；图3 控制阀p1和p2的取压点随着的减小，管路压降增加，控制阀压降减小，使其实际可调比下降；随着继续减小，则使实际工作流量特性偏离理想流量特性，越小，偏离程度越大。

实际应用时的流量特性畸变参见图。

控制阀工作压差影响着流量特性，也说明要有一定的工作压差才能有较好的控制性能，应用时通常希望控制阀的压降比≥。

表控制阀流量计算公式（流量系数）（）图5 控制阀阀芯的流量特性图4 控制阀流量特性关闭压差：主导执行机构的计算选择关闭压差就是控制阀处于全关位置时切断关闭所承受的最大压差，其关闭压力的为控制阀最大入口压力（绝对压力），取值为大气压（绝对压力）或当实际工况的阀后压力小于大气压的则取值其绝对压力。

在计算选择执行机构时，在已确定控制阀结构型式和执行机构种类后，主要根据关闭压差来确定执行机构的输出力矩（扭矩）和型式。

以气动薄膜执行机构为例，控制阀的气动执行机构和调节机构（阀）的受力如图所示。

执行机构膜室内部的力有摩擦力（近似为零）、重力（近似为零）、与弹簧有关的弹性力、与气压信号压力有关的压力力。

执行机构的推力（输出力矩）为，是用于克服负荷的有效力，与膜片有效面积、弹性力、压力力有关，用于平衡其它的力，根据故障安全动作不同，推力的作用方向也不同。

图示例的故障安全位置为推杆伸出（故障关阀，即气开阀）。

调节机构（阀）有作用在阀芯上不平衡力（与流体压力和阀芯有效面积有关）、阀杆所受到的摩擦力、阀芯等活动部件自重产生的力、阀全关时阀芯对阀座密封所施加的压紧力（密封力，与阀芯阀座材料和阀座泄漏率有关）。

对于气动薄膜执行机构，输出力矩与开度有关，阀上出现的力将影响流量特性，因此要求在全行程范围内建立起力平衡。

执行机构的输出力矩（推力）计算公式：对于已选类型的控制阀，制造厂商对、、数据是掌握的，阀芯有效受力面积也是已知的，则阀芯上不平衡力由流体压力决定，阀全关时流体压力形成关闭压差并产生最大的不平衡力，可以说关闭压差主导执行机构的计算选择，进而选择气动执行机构的输出力矩（主要是选择气动执行机构的膜片有效面积、气动压力信号和弹簧工作范围）。

在实际计算选择中，得出计算的后，还要考虑一个安全系数，国外制造厂商通常选倍来确定选择执行机构输出力矩，对于要求紧密关闭的如阀芯阀座采用软密封的，则选倍。

而国内制造厂商及用户对这一点并没有统一的说法，各自理解，有的只考虑倍，则时常出现执行机构计算选择不周全导致实际应用时推力不够的事例，或者由于把握不好各种力的数据导致计算误差较大和选择执行机构参数不当，甚至出现设备损坏的状况，严重影响控制阀的应用和运行安全。

图6 实际应用时控制阀理想流量特性的畸变曲线图7 气动执行机构和阀的受力结束语控制阀的工作压差和关闭压差是关键的过程数据，直接影响控制阀的计算选择。

工作压差取值在控制阀处于全开位置时，主导流量系数计算；关闭压差取值在控制阀处于全关位置时，主导执行机构计算。

计算工程设计者和控制阀制造厂商以及使用者需要积累实际应用经验，选好工作压差，重视关闭压差，在控制阀计算选择中综合考量，满足适用性和经济性，保证控制阀在安装条件下的可靠应用。

参考文献：《》何衍庆，邱宣振，杨洁，王卫国控制阀工程设计与应用化学工业出版社。