1 前言 調節閥是生產過程自動化系統中*常見的一種執行器，一般的自動控制系統是由對象、檢測儀表、控制器、執型器等所組成。調節閥直接與流體接觸，控制流體的壓力或流量。人們常把測量儀表稱之為生產過程自動化的“眼睛”；把控制器稱之為“大腦”；把執行器稱之為“手腳”。自動控制系統一切先進的控制理論，巧秒的控制思想，復雜的控制策略都是通過執行器對被控對象進行作用的。正確選取調節閥的結構型式、流量特性、流通能力；正確選取執行機構的輸出力矩或推力與行程；對于自動控制系統的穩定性、經濟合理性起著十分重要的作用。如果計算錯誤，選擇不當，將直接影響控制系統的性能，甚至無法實現自動控制。控制系統中因為調節閥選取不當，使得自動控制系統產生震蕩不能正常運行的事例很多很多。因此，在自動控制系統的設計過程中，調節閥的設計選型計算是必須認真考慮、將設計的重要環節。
正確選取符合某一具體的控制系統要求的調節閥，必須掌握流體力學的基本理論。充分了解各種類型閥的結構型式及其特性，深入了解控制對象和控制系統組成的特征。選取調節閥的重點是閥徑選擇，而閥徑選擇在于流通能力的計算。流通能力計算公式已經比較成熟，而且可借助于計算機，然而各種參數的選取很有學問，*后的拍板定案更需要深思熟慮。
2 調節閥的結構型式及其選擇
常用的調節閥有座式閥和蝶閥兩類。隨著生產技術的發展，調節閥結構型式越來越多，以適應不同工藝流程，不同工藝介質的特殊要求。按照調節閥結構型式的不同，逐步發展產生了單座閥、雙座閥、角型閥、套筒閥（籠型閥）、三通分流閥、三通合流閥、隔膜閥、波紋管閥、O型球閥、V型球閥、偏心旋轉閥（凸輪繞曲閥）、普通蝶閥、多偏心蝶閥等等。
如何選擇調節閥的結構型式？主要是根據工藝參數（溫度、壓力、流量），介質性質（粘度、腐蝕性、毒性、雜質狀況），以及調節系統的要求（可調比、噪音、泄漏量）綜合考慮來確定。一般情況下，應優選普通單、雙座調節閥和套筒閥，因為此類閥結構簡單，閥芯形狀易于加工，比較經濟。如果此類閥不能滿足工藝的綜合要求，可根據具體的特殊要求選擇相應結構型式的調節閥。現將各種型式常用調節閥的特點及適用場合介紹如：
（1）單座閥（VP，JP）：泄漏量小（額定Kv值的0.01%）允許壓差小，JP型閥并且有體積小、重量輕等特點，適用于一般流體，壓差小、要求泄漏量小的場合。
（2）雙座閥（VN）：不平衡力小，允許壓差大，流量系數大，泄漏量大（額定K值的0.1%），適用于要求流通能力大、壓差大，對泄漏量要求不嚴格的場合。
（3）套簡閥（VM.JM）：穩定性好、允許壓差大，容易更換、維修閥內部件，通用性強，更換套筒閥即可改變流通能力和流量特性，適用于壓差大要求工作平穩、噪音低的場合。
（4）角型閥（VS）：流路簡單，便于自潔和清洗，受高速流體沖蝕較小，適用于高粘度，含顆粒等物質及閃蒸、汽蝕的介質；特別適用于直角連接的場合。
（5）偏心旋轉閥（VZ）：體積小，密封性好，泄漏量小，流通能力大，可調比寬R=100，允許壓差大，適用于要求調節范圍寬，流通能力大，穩定性好的場合。
（6）V型球閥（VV）：流通能力大、可調比寬R=200~300，流量特性近似等百分比，v型口與閥座有剪切作用，適應用于紙漿、污水和含纖維、顆粒物的介質的控制。
（7）O型球閥（VO）：結構緊湊，重量輕，流通能力大，密封性好，泄漏量近似零，調節范圍寬R=100~200，流量特性為快開，適用于紙漿、污水和高粘度、含纖維、顆粒物的介質，要求嚴密切斷的場合。
（8）隔膜閥（VT）：流路簡單，阻力小，采用耐腐蝕襯里和隔膜有很好的防腐性能，流量特性近似為快開，適用于常溫、低壓、高粘度、帶懸浮顆粒的介質。
（9）蝶閥（VW）：結構簡單，體積小、重量輕，易于制成大口徑，流路暢通，有自潔作用，流量特性近似等百分比，適用于大口徑、大流量含懸浮顆粒的流體控制。
3 調節閥的流量特性及其選擇
調節閥流量特性分固有特性和工作特性兩種。固有特性又稱調節閥的結構特性，是由生產廠制造時決定的。調節閥在管路中工作，管路系統阻力分配情況隨流量變化，調節閥的前后差壓也發生變化，這樣就產生了調節閥的工作特性。
3.1 結構特性
調節閥是通過行程的變化，改變閥芯與閥座間的節流面積，來達到控制流量的目的。因此閥芯與閥座的節流面積跟著行程怎樣變化，對調節閥的工作特性能有很大影響。通常把閥門的相對節流面積與閥門的相對開度之間的關系稱為調節閥的結構特性。所謂閥門的相對開度是指調節閥某一開度行程與全開行程之比（角行程與直行程道理相同），用l=L/Lmax來表示。所謂閥門的相對節流面積是指調節閥某一開度下的節流面積與全開時的節流面積之比，用f=F/Fmax來表示。
調節閥結構特性的數學表達式為：
f=Φ（l） （3-1）
上式的函數關系取決于閥芯及相關閥門組件的形狀和結構。不同的結構就形成了幾種典型的結構特性。
3.1.1 直線結構特性
閥門的相對節流面積與相對開度成直線關系。即：
df/dl=c （3-2）
式中：c為常數
設邊界條件為：當L=0時，F=Fmax；L=Lmax時，F=Fmax：解上述微分方程，并帶入邊界條件得出數學表達式為：
（3-3）
式中：R=Fmax/Fmin為調節閥節流面積的變化范圍。
3.1.2 等百分比結構特性
閥門的相對節面積隨行程的變化率與此點的節流成正比關系。即：
df/dl=cf （3-4）
解上述微分方程，并代入前述相同邊界條件，得出數學式為：
f=R（l-1） （3-5）
式中：R=Fmax/Fmin
3.1.3 快開結構特性
閥門的節流面積隨行程變化，很快達到*大（飽和），此閥適用于迅速開閉。
3.1.4 拋物線結構特性
閥門的相對節流面積與相對開度成拋物線關系。即：
（3-6）
解上述微分方程，并代入前述相同的邊界條件，得出數學式為：
（3-7）
式中：R=Fmax/Fmin
3.2 工作流量特性
調節閥的流量特性是指介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度之間的關系相對流量用q=Q/Qmax來表示。
調節閥的流量特性的數學表示式為：
q=Φ（l） （3-8）
一般說來，改變調節閥的節流面積，便可控制流量；但實際上由于各種因素的影響，如節流面積變化的同時，還發生閥前后壓差的變化，而壓差ΔPv的變化引起流量的變化。為了分析問題方便，先假定閥前后壓差是固定的。
3.2.1 理想流量特性
在調節閥前后壓差一定的情況下（ΔPv=常數）得到的流量特性，稱為理想流量特性。假設調節閥各開度下的流通能力與節流面積成線性關系，即：
Ci=Cf （3-9）
式中：C：閥全開時的流通能力
Ci：閥在某一開度下的流通能力
f：相對節流面積
由流體力學得知，伯努利方程可以推導出調節閥流量方程為：
（3-10）
式中：F：調節閥節流面積
ε：調節閥阻力系數，隨開度變化
g：重力加速度
r：流體重度
P1，P2：調節閥前、閥后壓力
調節閥的流量方程也可以簡化寫為：
（3-11）
當f=1時，Q=Qmax則可得到：
（3-12）
考慮到△P為常數，將式（3-11）和（3-12）相比即得：
q=f （3-13）
綜上可知，當閥門各開度下的流通能力C與節流面積F成線性關系時，即假定閥前后壓差固定，ΔP為常數時，調節閥的理想流量特性與調節閥的結構特性完全相同，這樣一來，調節閥的理想流量特性，也就有直線、等百分比、快開、拋物線等4種形式
3.2.2 實際工作流量特性
在調節閥前后壓差變化的情況下，得到的流量特性，稱為工作流量特性。在實際的工藝裝置中，調節閥安裝在工藝管道系統中，由于除調節閥以外的管道、裝置、設備等存在阻力，并且該阻力損失隨通過管道的流量成平方關系變化。因此，當系統兩端壓差ΔP一定時，調節閥上的壓差ΔPv就會隨著流量的增加而減小，如圖1所示。這個壓差的變化也會引起通過調節閥的流量發生變化，因此這時調節閥的理想流量生就會產生畸變而成為工作特性。
管道系統的總壓差△Ps是管道系統（除調節閥外的閥門、設備和管道）的壓差與調節閥前后壓差之和，即：
ΔPs=△P2+∑ΔP1 （3-14）
圖1（b）中△Pvm是*大流量時調節閥前后的壓差，∑△Pim是*大流量時管路系統的壓差，令：
（3-15）
這就是工藝管道系統的阻損比S，也就是調節閥全開時，閥上的壓降△Pv與管路系統各局部阻力件之和∑Pim加閥上的壓降△Pv，兩者之間的比根據式（3-11），則調節閥通過的流量即：
（3-16）
當調節閥開度達到100%時，即f=1時則有：
（3-17）
如果工藝管道系統的阻力損失全部由調節閥決定，即管道設備阻力等于零時（ΔPv=ΔPs），此時的系統阻損比S=1，則調節閥前后壓差就是管道系統的總壓降△Ps。此時調節閥工作特性就成為理想特性，此時的*大流量為：
（3-18）
如果將式（3-16）和（3-18）相比就可以得到Q作參此量的相對流量特性：
（3-19）
如果將式（3-16）和（3-17）相比就可以得到以Q100作參比量的相對流量特性：
（3-20）
進一步推導，考慮管道系統的節流面積恒定不變其相對面積總是1，則其管道流量表達式如下：
（3- 21）
式中：Q：管道流量
Cg：管道流通能力
∑ΔPi：管道阻力
γ：流體密度
式（3-16）和（3-21）流量相等，并根據式（3-14）則推導出
（3-22）
當調節閥全開時f=1，于是調節閥*大開度時的前后差壓（實際是調節閥前后壓差的*小值）為：
則：
（3-23）
將式（3-23）和（3-22）聯豆解方程組則有
（3-24）
將式（3-24）代入式（3.19）則得到
（3- 25）
將上式中代入相應的結構特性，就可以得出Qmax作為參比值的工作特性如圖2。
由于實際上S<1，因此工作特性中Q和Q100都將相對減小。隨著調節閥開度的增加，管道系統的流量也隨之增加，則管道系統的壓降∑ΔPi從*小（近似等于零）逐步增大到∑Pim。這樣一來，隨著調節閥開度的增加，調節閥前后壓差ΔPv將由于∑ΔPi的增加而減少，參看圖1。因此實際上管道系統的*大流量Q100必然小于理想情況（S=1）時的*大流量Qmax也就使得直線和等百分此兩種調節閥的特性曲線都隨S的減小而下垂，如圖2。
將式（3-24）和△Pm=S?ΔPs代入式（3-20）則得到：
（3- 26）
將上式中代入相應的結構特性，就可以得出Q100作為參比值的工作特性，如圖3。
對于一個流量調節閥的管道系統，阻損比S值（又稱壓降比）越大，則說明調節閥的壓降占整個系統比重越大，調節閥控流能力越大；如果S=1.0，則△Pv=△Ps是不變的，則調節閥工作特性就是理想特性。反之S值越小，則說明調節閥的壓降占整個系統的比重越小；也就是調節閥的控制能力越差，也就是當流量增加時，調節閥前后壓降逐步減少。因此調節閥的節流面積雖然增大了但由于ΔPv減小，流量并沒有按理想特性增大，而使流量增大速率變緩。隨著S值的減小，即管道阻力增加，則帶來兩個不利的后果：一是調節閥的流量特性發生越來越大的畸變；直線特性漸漸趨于快開特性，等百分比特性漸漸趨于直線特性，這樣一來使小開度時放大系數增加、大開度時放大系數減小，造成小開度時控制不穩定和大開度時控制遲鈍。因此在實際使用中，通常要求S值不低于0.3~0.5。二是調節閥的可調節閥的可調范圍隨之減小，實際可調比R'隨S減小而減小：
（3-27）
式中：R：調節閥的固有可調比
R‘：調節閥的實際可調比
3.3 流量特性的選擇
直線結構特性調節閥的特性曲線的斜率在全行程是一個定值以相對行程l等于10%、50%、80%三點為例；當行程變化10%時，所引起節流面積變化總是10%，我們再看它的節流面積相對變化值分別為：
由此可見，直線結構特性在變化相同行程情況下，閥門開度小時，節流面積相對變化值大；閥門開度大時，節流面積相對變化值小。這個特點，往住使直線結構特性閥門在小開度情況下的靈敏度過高而導致控制性能變壞。
再看等百分比結構特性的調節閥，其特性曲線的斜率是隨行程的增大而遞增的。以同樣的相對行程等于10%、50%、80%三點為例，當行程變化成10%，（假設R=30）所引起的節流面積變化分別是1.91%、7.3%和20.4%；因此這種閥在接近關閉時工作得緩和平穩，而在接進全開啟狀態時工作的靈敏有效。同樣再看它的節流面積相對變化率分4為：
由此可見行程變化成10%，所I起節流面積變化的相對值總是40%，具有等比率特性、等百分比結構特性即由此得名。
實際市場上調節閥，有直線、等百分比和快開三種基本特性。對于陜開特性，一般用于兩位式調節和開關控制。對于調節系統選擇調節閥特性，則指的是如何選擇直線和等百分比特性在設計選用中主要依據以下兩個原則。
（1）從控制系統的控制品質出發，選擇閥的工作特性
理想的控制回路，希望它的總放大系數在控制系統的整個操作范圍內保持不變，但在實際生產過程中控制對象的特性往往是非線性的，它的放大系數要隨其外部條件而變化。因此，適當選擇調節閥特性，以調節閥的放大系數變化來補償對象放大系數的變化，可將系統的總放大系數整定不變，從而保證控制質量在整個操作范圍內保持一定。若控制對象為線性時，調節閥可以采用直線工作特性。但許多的控制對象，其放大系數隨負荷加大而趨小，假如我們選用放大系數隨負荷加大而趨大的調節閥，正好補償。等百分比特性閥具有這種性能，因此它得到廣泛應用。
（2）從配管情況出發，根據調節閥的希望工作特性選擇閥的結構特性。
必須說明，按**原則選出的是閥的工作流量特性。由于流量調節閥的管道系統各不相同，S值的大小直接引起閥的工作流量特性偏離其結構特性而發生畸變。因此，當我們根據已定的希望工作特性來選取調節閥的結構特性時，就必須考慮配管情況。S值大計時，調節閥的工作特性畸變小；反之S值小，調節閥的工作特性畸變大。考慮配管情況可以參考表i進行選擇。
表1 閥的結構特性選擇
調節閥與系統壓降比S | 1- 0.6 | 0.6- 0.3 | ＜0.3 |
調節閥的工作流量特性 | 快開 | 直線 | 等百分比 | 快開 | 直線 | 等百分比 | 控制不適宜 |
調節閥的結構特性 | 快開 | 直線 | 等百分比 | 直線 | 等百分比 | 等百分比 | 控制不適宜 |
選擇閥的結構特性與S值很有關系，S值大則工作特性畸變小，對控制有利。但是，S值大說明調節閥的壓力損失大，這樣不經濟。因此必須綜合考慮，工程設中普遍認為壓降比S為0.3~0.6是比較合適的。