阀门流量特性分析与优化

陈 松

（络科实业集团有限公司，江苏扬州211400）

0 引言

近年来的研究发现证明，阀门的流量特性以及针对阀门流量的调节控制与优化是影响管道系统水锤效应的关键性因素，然而，关于管道系统阀门的选型以及阀门在管道系统内的相关性应用研究较多，而在管道系统内系统地研究分析阀门流量特性以及阀门流量特性对管道系统水锤效应的影响关系的研究较少。

1 阀门流量特性分析

一般情况下，阀门的流量特性可以通过阀门开度与阀门流量之间的函数关系表示，即：

式中，q为流过阀门的流量大小；Q为瞬间流过阀门的流量大小；Qmax为流过阀门流量的最大值；Y为瞬间阀门的开度大小；Ymax为阀门开度的最大值；τ为相应情况下的阀门开度大小。

另外，阀门前后两端的水压差对阀门的流量特性具有十分明显的影响，阀门流量特性通常是指阀门前后两端水压差为一定值时的流量特性。通过以往的研究分析可知，典型的阀门流量特性主要包括四种，即线性、抛物线、等百分比、快开等，该四大类特性可用同一数学模型表示，即：

式中，K为阀门流量特性系数；n为相关指数，不同的取值代表不一样的含义，即取值不同，该数学模型指代不一样的阀门流量特性，当n=0时，表示阀门线性流量特性，当n=0.5时，表示阀门抛物线流量特性，当n=1时，表示阀门等百分比流量特性，当n=-1时，表示阀门快开流量特性。

若考虑阀门流量中的流量最小值Qmin，并引入流量大小调节比R：

针对n所代表的不同取值大小，对上式进行相应的积分，可进一步得到四种典型阀门流量特性方程，具体如下：

线性流量特性方程可表示为：

抛物线流量特性方程可表示为：

等百分比流量特性方程可表示为：

快开流量特性方程可表示为：

通常情况下，管道系统内的阀门均不会在阀门前后恒压差下运行，在阀门开启和关闭的过程中，阀门上下游的压力差在不断变化，因此阀门在原有的典型流量特性方程上会产生一定的偏差，此时阀门表现的为阀门的工作流量特性。阀门的工作流量特性方程与典型流量特性方程密切相关，影响阀门工作流量特性方程的因素主要包括管道系统的布置情况、管道系统参数设计大小、各种型号阀门的组合运用形式及管道系统运行控制要求等。

基于阀门的固有流量特性方程，结合管路系统及阀门的安装布置情况，得出上述四种典型流量特性方程相对应的阀门工作流量特性方程，引入流量系数相对值kv来进一步分析阀门的工作流量特性：

工作阀门在开口全部开启和开口全部关闭的情况下，抛物线流量的流量系数相对值与阀门开度的平方成正比，快开流量的流量系数相对值与阀门开度的开方成正比；另外，在管道系统中阀门的实际工程运用，不同阀门的实际流量特性方程也存在不同程度的差别。基于上述分析，四种典型的流量特性曲线如图1所示。

图1 四种典型的流量特性曲线

2 阀门流量特性优化方法

2.1 比例偏置模式

在阀门控制模式下，总阀门位置指令x在阀门管理特性方程f1（x）中计算得到阀门的开度大小，在其他阀门情况下，阀门位置指令x经过kx+b的坐标变换，然后再经过阀门调节曲线方程，计算得到该阀门的开度大小，具体变换如下：

式中，k、b为一常数值，依据不同的阀门型号来确定上述方程的具体参数值。

2.2 阀门联合调节模式

在阀门联合调节模式下，各个阀门的调节曲线方程不一样，第一个阀门的调节曲线方程为f1（x），第二个阀门的调节曲线方程为f2（x），后面的阀门依次类推，即具体的表现形式如下：y=f1（x），y=f2（x），…（10）

与比例偏置模式相比，在通过实验测得第一个阀门的流量特性方程后，将f1（x）替换为优化处理后的流量特性方程f1′（x），此时，只针对第一个阀门进行了优化处理，对第二个阀门以及后续的阀门的流量特性曲线没有产生明显影响，此时可以按照对第一个阀门的处理方式对后续阀门进行相同的优化处理。

2.3 实验数据处理

在通过实验得到阀门流量测量值以及相对应的阀门开度测量值等一系列相关参数后，需要对得到的数据进行相关的优化处理，即尽可能地用一条光滑的曲线来表示实际测量得到的数据，因此，该光滑曲线必须能够充分反映出阀门流量在不同阀门开度情况下的变化特征。假设阀门流量特征曲线符合多项式，则该表达式可表示为：

至此，依据数值分析的计算方法，确定上述表达式中各个系数参数的具体数值，进而得到与测量值匹配程度最好的光滑函数曲线，依据数据分布的非线性特征，本文选择最常见的也是最通用的最小二乘法来计算得到相应的系数参数，其具体的目标泛函可确定为：

同时，从测量得到的数据中可以看出，阀门流量调节特性具有两端突变的特点，即阀门从开启到具有一定开度的这段时间内，阀门流量的增加不是特别明显，且在未达到阀门开度全开时，阀门流量基本已经接近全峰最大值。

3 结语

阀门是管道系统组成里比较重要的部件之一，同时，阀门在管道系统的流量控制中也起着至关重要的作用，因此，研究分析阀门的流量特性具有十分重要的意义。本文分析了阀门固有的流量特性方程，并结合实际情况，对固有流量特性方程进行了修正，得到了阀门工作流量特性方程，由于阀门的流量特性方程是事实存在的，不能进行人为修改，因此只能结合阀门流量特性方程，对管道系统曲线进行相应的修改，本文给出了修改管道系统曲线的优化分析方法。

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