楼宇自控系统中电动调节阀流量特性的研究
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摘要：简要介绍了楼宇自空中系统中电动调节阀的基本结构和工作原理，着重分析了电动调节阀的理想状态和实际工作流量特性，并总结了各种流量特性的性能特点，为实际工程中选用电动调节阀提供了理论依据。
中图分类号：U467.4+6文献标识码： A
引言
电动调节阀是楼宇自动化控制系统的关键设备，主要应用于暖通系统HVAC中的冷热源、能源分配及末端控制。工程中电动调节阀能根据被控对象（如温度）的变化，调节阀门的开度，改变管道中介质的流量，使被控对象的实际值与设定值一致，最终实现预定的调节功能。
流量特性是电动调节阀选型和楼宇自控系统设计的重要参数。在实际工程应用中, 暖通工程师根据水力管径选择电动调节阀,电气工程师按照暖通工程师提出的要求配置和设计自控系统, 但因选型过程基本没考虑阀门的流量特性，导致电动调节阀选择过大, 使阀门在小开度频繁动作, 加剧阀门的磨损, 整个自控系统产生振荡。文章结合工程实际详细分析了电动调节阀的理论流量和实际工作流量特性，为实际工程中电动调节阀的选用提供了一定的理论依据。
基本 结构和 工作原理
电动调节阀通常由阀门、电动执行机构、传感器和调节器等部件组成，如图1所示。其工作原理为：工作前阀芯处于半开位置，传感器处于自然状态。接通电源，阀芯全开，介质由箭头方向流动，介质流量发生变化。当介质的某项参数（如水位、温度等）达到设定值时，传感器产生相应信号发送给电动执行机构，随即驱动阀杆、阀芯产生位移，关闭阀门。当该参数低于设定值时，传感器产生对应信号发送给电动执行机构，驱使阀芯渐开，给相应设备输送介质，最终实现介质的参数在预定范围内被控制。
图1电动调节阀的结构和原理示意图图2电动调节阀的阀芯形状
在楼宇自控系统中，电动调节阀的流量特性直接决定着系统的调节性能。流量特性又分理想流量特性和工作流量特性，阀门的流量特性由阀芯的形状所决定，阀芯形状有柱塞阀和开口形阀两类，如图2。
理想流量特性
调节阀在前后压差固定情况下的流量特性称为理想流量特性。常用的理想流量特性有线性、等百分比、抛物线和快开特性。
（1）直线流量特性
直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位行程变化所引起的流量变化是常数：
( 1 )
式中：——调节阀全开时流量，mm3/s；
——调节阀某一开度的行程，mm；
——调节阀全开时行程，mm。
将上式积分可得： ( 2)
代入边界条件： ，求得常系数：；
经整理可得：（3）
直线流量特性调节阀单位行程变化所引起的流量变化是相等的，但相对流量的变化值不同，即流量小时，相对流量变化的相对值大，而流量大时，相对流量变化的相对值小。现分别在行程的10%、50%和80%三点处算出行程变化10%所引起的流量相对值变化，分别为：
图3线性流量特性（R=30）
（2）等百分比（对数）流量特性
等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即调节阀的放大系数随相对流量的增加而增大。满足下式关系：
（4）
上式中，当K=1时， 变化的百分数与即该点相对流量变化百分数相等，故称为等百分比流量特性。
将上式积分可得：（5）
代入边界条件，得常系数：
（6）
经整理得：
等百分比特性流量调节阀单位行程变化所引起的流量变化是不等的。在行程的10%、50%、80%三点处算出行程变化10%所引起的流量相对值的变化分别为：
图4 等百分比流量特性（R=30）
等百分比流量特性调节阀在行程小时，流量变化小；在行程大时，流量变化大。行程变化相同所引起的相对流量变化率总是相等，因此称为等百分比。
（3）抛物线流量特性
抛物线流量特性调节阀的相对流量与相对开度的二次方成比例关系，即（7）
对上式积分并代入边界条件后，整理得：（8）
（4）快开流量特性
调节阀在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。快开特性的阀芯形状是平板的，适用于快速启闭的切断阀或双位控制系统。
2. 工作流量特性
调节阀在前后压差随负荷变化的工作条件下，其相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。
（1）串联管道时的工作流量特性
调节阀与管道串联时，因调节阀开度的变化会引起流量的变化，由流体力学理论可知，管道的阻力损失与流量成平方关系。串联管道时的工作流量特性与压降分配比有关，阀上压降越小，调节阀全开流量相应减小，使理想的直线特性畸变为快开特性，理想的等百分比特性畸变为直线特性。
空调系统一般采用串联管道。串联管道系统的阻力与通过管道的介质流量成平方关系。当系统总压差为一定时，调节阀一旦动作，随着流量的增大，串联设备和管道的阻力亦增大，这就使调节阀上压差减小，结果引起流量特性的改变，理想流量特性变为工作流量特性。
假设在无其它串联设备阻力的条件下，阀全开时的流量为，有串联设备阻力条件下，阀全开的流量为，两者关系可用下式表示，其中S为阀全开时，阀上压差与系统总压差之比值，称S为阀门能力，即。
显然，随着串联阻力的增大，S值减小，则会减小，这时阀的实际流量特性偏离理想流量特性也就越严重。图5为不同S值时的直线型和等百分比型的流量特性曲线，可见当S＝1时，理想流量特性与工作流量特性一致；随着S值的降低，逐渐减小，实际可调比R减小，直线特性调节阀趋于快开特性阀，等百分比特性阀趋于直线特性阀，这就使得调节阀在小开度时控制不稳定，大开度时控制迟缓，严重影响控制系统的调节质量。
图5不同S值时的流量特性曲线
（2）并联管道时的工作流量特性
电动调节阀与管道并联时，一般由阀支路和旁通管支路组成，调节阀安装在阀支路管路上。调节阀在并联管道上，在系统阻力一定时，调节阀全开流量与总管最大流量之比随着并联管道的旁路阀逐步打开而减少。此时，尽管调节阀本身的流量特性无变化，但系统的可调范围大大缩小，调节阀在工作过程中所能控制的流量变化范围也大大减小，甚至起不到调节作用。要使调节阀有较好的调节性能，一般认为旁路流量最多不超过总流量的20%。
结论
1) 直线流量特性的阀门在小开度工作时, 流量相对变化太大, 调节作用太强, 以产生超调引起振荡; 而在大开度时, 调节太弱。
2) 等百分比流量特性的阀门流量相对变化的百分比总是相等的。小开度时, 流量小, 流量的变化也小, 调节阀放大系数小, 调节平稳缓和; 大开度时, 流量大, 流量的变化也大, 调节阀放大系数大,调节灵敏有效。
3) 抛物线流量特性的调节性能介于直线特性和等百分比特性之间，使用上常以等百分比特性代之，调节性能较理想但阀瓣加工较困难。
4) 阀门的实际流量特性与阀权度S 关系密切。随S 减小, 实际流量特性发生畸变, 曲线向上拱起, 理想的直线特性趋向快开特性, 理想的等百分比趋向直线特性, 实际工程中S 的取值应合理。
5) 在以水为介质的换热设备中, 应尽量选择等百分比流量特性的阀门; 对以蒸汽为介质的换热设备, 宜选用直线流量特性的阀门。
参考文献
[1] 王晓松. 暖通空调水系统电动调节阀选型方法[J]. 中国住宅设施，2008(02).
[2] 黄奕沄，张玲,陈光明. 空调水系统末端水力平衡措施对电动调节阀工作特性的影响[J]. 暖通空调，2008(07).
[3] 张玲，黄奕沄. 空调水系统电动调节阀实际调节性能改进措施探讨[J]. 制冷空调与电力机械,2010(03).
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