电动调节阀对BAS系统控制质量的影响
REGIN 楼宇自控系统 电动调节阀
在楼宇设备自动化控制系统（Building Automatic control System，BAS）中，暖通空调（HVAC）系统的自动化控制占有相当重要的地位。暖通空调系统的自动化控制中，通过调节阀门进行温湿度的控制又是控制的重点。
本文所指的控制阀门也称电动调节阀门。电动调节阀是以电动机为动力元件，将控制器输出信号转换为阀杆的连续动作，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系统，达到调节管道系统中液体或气体流量的目的。空调系统中的控制阀门绝大部分是球阀，一般为三类：VT系列阀门（the VT series valve），Cage Trim型阀门（the Cage Trim style valve）和铸铁法兰阀（the Iron Body Flane valve）。所有球阀包含阀体、连杆柱塞组件、阀盖和阀门驱动器四个基本部分。
在国内许多工程中发现设计者在调节阀门的选择中，特别是选择阀门口径时存在随意性现象较为严重。有些设计者直接选择调节阀门口径与管径一致，有些简单地相对管径缩小一号。这些随意性的设计不仅造成投资浪费，同时降低了系统的调节品质，影响系统的寿命，应引起设计者高度重视。就阀门的选择而言，过小的阀门一方面达不到系统的容量要求，另一方面阀门将需要通过系统提供较大的压差以维持足够的流量，加重泵的负荷，阀门易受损害；阀门口径过大会使控制性能变差，易使系统受冲击和振荡，而且投资也会增加。阀门过大过小都会带来控制阀寿命缩短和维护不便的后果。因此，选择适当的控制阀口径，对系统的正常运转是非常重要的。
一、自控系统的调节品质
对于某一过程变量V（如暖通系统中盘管出水温度）的控制，系统中将会设定一个目标值。系统从初始状态到达控制目标会有一个过程，也就是系统说系统从初始状态到达平衡的目标状态需要一定的时间。对于调节系统而言，其品质一方面体现于系统达到目标值的时间长短，更重要的是系统达到目标值的精度和平衡度。达到目标值的时间短，振荡周期少，目标偏离值小，表明控制系统的品质好。反之，控制品质差。
图一(略)中，两曲线表示理想控制系统和振荡较大的控制系统曲线。在实际的控制系统中，最佳的控制曲线介于两者之间，即过程变量在较短时间内达到平衡态后在很小的范围内波动，在PI方式控制中,这种波动会越来越小，接近于理想状态。
理想的控制系统过程度量从初始状态V0到达目标值V1的时间为t0，系统一般通过两个振荡周期基本能达到平衡状态，系统状态和目标值保持一致。这种理想情况在实际中是不存在的，但每位系统设计者都希望控制曲线逼近理想状态。对于调节阀控制而言，阀门口径的选择是影响控制线性度的关键因素。振荡较大的系统表示调节阀门过大而表现出来的过程变量V和时间t的关系。其特征是变量在目标准之间的振幅较大，达到目标状态的时间较长，甚至系统一直在平衡态上振荡。这种振荡在调节阀上体现出来的特征是阀门处于不稳定状态，不但调节品质低，对设备本身也会存在不利影响。造成系统振荡的原因是多方面的，但最主要的原因是没有对阀门的流量特性进行综合分析，选择阀门口径过大造成的。图一 调节品质对比示意图(略)
目前控制系统软件通常采用微积方法，本文不讨论控制软件因素，只对调节阀的基本参数对控制品质的影响进行分析，从而提醒设计者在调节阀门的选择中进行综合考虑，保证系统的控制品质。
二、调节阀门对控制品质的主要影响因素
调节阀门是暖通空调自控系统的一种具体执行机构，控制系统软件相当于系统的大脑，指挥执行机构工作。调节阀对系统控制品质的影响由多方面因素形成，有阀门本身固有的质量、阀门参数等，这些因素大多具有关联性。
1、调节阀的种类
不同的工作场合，对调节阀的要求是不一样的（如精度），应根据不同的工作场合，合理选择阀门类型，否则影响系统的质量，甚至不能正常工作。国内常用的调节阀主要有：直通单座调节阀、直通双座调节阀（俗称平衡阀）、三通调节阀、蝶阀、隔膜调节阀等。不同的场合对调节阀的技术要求不同，在设计中首先应考虑选择合理的调节阀种类。
直通单座调节阀的特点是关闭严密，工作性能可靠，结构简单，造价低，但阀杆推力大，对执行器的力矩要求高，一般只适用于低压差的场合；直通双座阀由于其内部的双阀芯构造，在其关闭状态时，两个阀芯的受力可部分抵消，阀杆不平衡力小，对执行器的力矩要求也小。由于热胀冷缩效因，其同时关闭性较差，造价也较高。因此，只适用于压差较高但密闭要求不高的场合；三通阀有三个出入口与管道相连，总进入水量较恒定，适用于定水量系统中，并要求有固定的安装方向，不能反装，不适于温差较大场合；蝶阀的特点是体积小、重量轻、安装方便，并且开、关阀的允许压差较大，但其调节性能和关阀密闭性都较差，通常用于压差较大但调节性能要求不高的场所。
另外，阀门的内在品质和客户的需求及投资因素在阀门种类选择中应综合考虑。国内外厂家不同，其质量和价格差别较大。
因此，应根据调节系统的实际技术需求合理地选择阀门种类和生产厂家，以保证系统的控制品质。
2、阀门的流量特征和阀门两侧压力降
阀门的流量特性和阀门参数是阀门的两个重要参数。阀门的流量特征是通过阀门的流体速率和阀门行程从0%至100%变化之间的关系。由于阀门内部结构的区别，不同的阀门有不同的流量特征。如球阀的流量特征取决于柱塞的形状。最普通的阀门柱塞类型分为等百分比型、线性型和快开启型三种。由于等百分比阀门和盘管的组合特性接近线性，在空调系统中应用最广泛的是等百分比特征阀门。图2是三种典型阀门的内在流量特性曲线。图2(略)三种典型阀门的内在流量特性曲线。
以上特性曲线是在恒定压力的试验中得到的。在控制阀门安装于系统中后，流量特性发生变化，称为安装后的流程特性。安装后的流程特性与阀门权限有关。
在实际系统中，阀门两侧的压力降并不是恒定的，使其发生变化的原因主要有两个方面：一方面，由于泵的特性，当系统流量减少时由泵产生的系统压力增加；另一方面，当流量减少时，盘管上的阻力也减少，导致较大的泵压加于阀门。
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为了保证系统控制品质，最好的方法是在系统允许的范围内选择能获得较大压力降的阀门口径，使阀门在运转过程中压力降的变化值尽可能小。阀门全开状态下的压力降占全泵压百分比越高，则阀门压力降相对变化值越小，阀门的安装特性就越接近其内在特性。
一个阀门是否匹配盘管依赖于它的内在特性和流量因子。这些阀门参数取决于恒定的阀门压力降ΔP。因此，控制系统中调节阀应尽可能工作于恒定的压力降条件下，这处决于阀门在盘管上的安装位置及其它的技术因素。当阀门全闭时，全部系统压力降转移到阀门两侧，这种压力应尽量小，因此实际系统中最大流量时的阀门压力降应尽量取大值。
3、阀门调整率
阀门调整率R定义为可通过阀门的最大电动调节阀流量和最小流量之比值。一般阀门都有一些不可控流量，当这种现象发生在柱塞从初始位置提升离阀座时。原因是由于柱塞和阀座之间公差配合不一致。对于一定口径的阀门，不可控流量越低，阀门的调整率越大，阀门有较宽的可控范围。
4、阀门承压能力
当阀门全闭时，系统压力降全部转移到阀门两侧，因此，在压力降参数要求较大时，应在选择阀门种类（如平衡阀的承压能力较大）时作出分析。否则，阀门执行机构就不能驱动阀门全闭，也就达不到系统控制的目的。
调节阀门对系统控制品质影响的因素还有许多，如阀门增益、气蚀现象等。
从以上的分析中可以看出，对阀门的合理选择实际上是合理确定阀门的规格和参数，特别是选择合理的阀门口径。
三、调节阀的流通能力
要合理选择调节阀门的口径，必须了解调节阀流通能力。调节阀的技术参数选择是否符合调节系统线性度的要求呢？这就要通过对调节阀流通能力的计算，比对厂家提供的技术参数确定阀门口径的大小来实现。调节阀的流通能力是合理选择阀门及阀门口径的一个重要参数。流通能力定义为：当调节阀全开，阀两端压差为105 Pa，流体密度为lg/cm3时，每小时流经调节阀的流量数，以m3/h计。从流体力学的观点，对于不可压缩的流体，根据伯努利方程可推算出式（1）：
Q=A/(ζ)1/2 * [2*(P1-P2)/ρ]1/2
（1）
式中 Q 表示盘管的额定流量
P1、P2 表示节流前后的压力
A 表示节流面积
ζ 表示阻力系数
ρ 表示流体密度
令（1）中 C=A*(2/ζ) 1/2
则
Q=C*[(P1-P2)/ρ] 1/2 （2）
C就是调节阀的流通能力。国外采用计量单位不同，常采用Cv表示流通能力（Cv=1.167C），也称为流量因子。流量因子的定义为：一个全开启的阀门两侧加有1psi压力时流过温度为600F水时的USGPM流量（美国加仑/每分种）。
式（2）可进一步简化为：
Cv=Q/(ΔP)1/2 （3）
式（3）就是我们用来选择基本的阀门选型公式，其中ΔP=P1-P2 ，以600F水作为盘管内流体。
四、调节阀口径的选择
选择阀门口径的目的是使阀门和盘管组合成产生一个合理的组合线性特性，使系统调节能进行有效控制。在通常的设计中，选择偏大口径是很普遍的，造成这种设计的原因是设计者过分注重系统的最大负荷的考虑或者单凭主观意识，没有经过科学的计算；过小的口径固然对控制而言更有效，不但达不到空调系统本身的要求，对阀门的寿命影响很大。因此，选择阀门口径时要与空调施工设计单位（设计院）取得联系，防止系统不匹配现象。
在实际的选型中，我们根据空调设备技术规格，可以找到阀门所在盘管需要的额定流量Q。如果没有这个参数，也可依据其它的资料，如温度跌落和热量总输出等公式计算出盘管所需要的流量。
为了提高可控制能力，阀门压力降尽可能选得大些，但其它参数（如有效泵压、最大允许压力降等）会限制这一选择。因此，一般应该这样来选择：使阀门全开时的压力降等于或接近供回水之间总压力降的50%，同时使这个值小于阀门的最大压力降值。根据这一要求，依据空调系统提供的技术参数，应能确定系统的压力降ΔP。
根据空调系统技术参数确定了系统流量Q和压力降ΔP后，就可以根据式（3）得出阀门的流理因子CV值。
实际工程中，阀门口径是分级的，CV值通常也不是连续值（公式计算的CV值是连续的）。不同厂商的同类型产品有不同的CV值与口径对应表。我们在算出期望的CV值后，就可以查阅生产商的相应产品数据表来决定所需的阀门口径。
五、结束语
我们进行设计的目的是最大限度地保证系REGIN统控制的品质要求。对于一个实际系统配置一个给定的控制阀门，需要对整个管系环路的非常复杂、详尽的分析。在实际工程设计过程中需要进行简化，这个简化是基于对阀门基本知识了解和一系列综合因素的概括。本文的目的是想通过以水系统为例的一个基本的影响因素的描述，要求设计者在阀门选择上综合考虑各种因素（包括安装因素），不要盲目地选择调节阀门和口径，以免影响调节系统的品质。
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