基于调节阀流量特性试验的研究和分析

上海润风智能科技有限公司 刘新民

0 引言

调节阀[1]作为末端换热装置的变流量调节机构在集中式空调系统中起到重要的控制和节能作用，在工程中得到广泛应用。长期以来，一些学者对调节阀的理想流量特性和工作流量特性[1]进行了不懈的研究，取得许多研究成果[2-9]，但大多数研究缺乏试验数据支持或未经过实际工程应用的检验。因此，本文以试验为基础，通过对电动调节阀样机的试验测试，分别获得被测调节阀样机A在标准试验工况[10]下的理想流量特性和在实际工作情况下的工作流量特性，进而对其流量特性进行辨析和讨论，期望为集中空调冷水系统末端设施优化调适和水系统节能控制技术的进一步研究夯实基础。

1 调节阀的流量特性

调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的相对流量q与调节阀相对开度k之间的函数关系(q=f(k))[1]。GB/T 50155—2015《供暖通风与空气调节术语标准》分别定义了快开流量特性、线性流量特性、等百分比流量特性和抛物线流量特性4种调节阀流量特性术语[1]；2016年ASHRAE手册第47章分别给出了调节阀的快开、线性和等百分比3种流量特性曲线，如图1所示[11]。

图1 调节阀流量特性曲线[11]

文献[2]针对线性特性、等百分比特性和修正的等百分比特性3种调节阀流量特性进行了研究；文献[3-4]则将调节阀流量特性分为平方根、线性、抛物线和等百分比4种类型，并给出了各自流量特性的数学表达式。

平方根流量特性：

(1)

线性流量特性：

(2)

抛物线流量特性：

(3)

等百分比流量特性：

q=Rk-1

(4)

式(1)～(4)中R为调节阀可调比(调节阀所能控制的最大流量Gmax与最小流量Gmin之比[1])。

图2给出了调节阀可调比R=30时的理想流量特性曲线。

图2 调节阀理想流量特性曲线(R=30)

由图2可以看出，相对开度k=0时，约有3.33%的理论计算流量不可控。为避免调节阀关断时(k=0)相对流量q>0，市场上的调节阀多为改良型流量特性，例如将理论等百分比流量特性改良为修正的等百分比流量特性[2]，满足相对开度k=0时相对流量q=0(即流量G=0)的要求，如图3所示。

图3 调节阀理想流量特性修正曲线(R=30)

2 试验工况说明

2.1 试验标准依据

依据GB/T 50155—2015[1]的定义，调节阀理想流量特性和工作流量特性均为相对流量q与相对开度k之间的函数关系q=f(k)。由于被测调节阀样机的相对开度k与其相对行程h并不吻合，例如样机A相对行程h≤18.25%时其相对流量q=0，调节阀并未实质性开启，可视其相对开度k依旧为0。故本文采用相对行程h描述被测调节阀样机的流量特性(q=f(h))。

调节阀的理想流量特性试验依据GB/T 30832—2014《阀门 流量系数和流阻系数试验方法》[10]设定测试条件：进出口两端压差恒定为100 kPa，流体密度为1 g/cm3，流量G为单位时间内流经阀门的水的体积流量，单位为m3/h。

调节阀的工作流量特性试验依据GB/T 19232—2003《风机盘管机组》[12]设定串联支路中风机盘管机组额定供冷量试验工况参数，确定试验支路冷水流量，即调节阀工作流量特性中相对行程h=100%时所对应的最大工作流量Gagmax(q=100%)。

2.2 试验工况

2.2.1理想流量特性试验

通过对循环水泵运行频率的自动调节将被测调节阀样机A两端压差恒定在100 kPa，采用MIK-C702S型信号发生器输出DC 2～10 V控制信号调节电动调节阀的行程，完成调节阀理想流量特性的试验测试。信号发生器输出的标准电信号与被测调节阀样机A的相对行程h呈线性关系，如图4所示。

图4 被测调节阀样机A的控制特性

调节阀理想流量特性试验包括输入电压由DC 2 V向DC 10 V逐步增加的正行程(开阀)控制试验和输入电压自DC 10V至DC 2 V逐步减小的反行程(关阀)控制试验。输入标准信号调节增减量为±0.4 V，对应调节阀相对行程增减量为±5%。

2.2.2工作流量特性试验

被测调节阀样机A工作流量特性的试验与风机盘管机组传热特性的试验同步进行，试验系统如图5所示。

图5 被测调节阀样机A工作流量特性试验系统

依据GB/T 19232—2003第5.1.3条[12]设定被测风机盘管机组额定供冷量试验工况参数，按标准温差得出试验支路冷水流量。采用信号发生器输出的标准电信号调节电动调节阀的行程，同步完成被测调节阀样机A的工作流量特性试验和被测风机盘管(FCU)样机的传热特性试验。

文献[4]认为：调节阀的流量特性都有限制条件，理想流量特性限制调节阀两端的压差为常数，工作流量特性限制调节系统两端的压差为常数。此次试验遵照GB/T 50155—2015[1]的规定，采用实际试验工作情况下的流量特性定义被测调节阀样机A的工作流量特性，即支路调节系统两端的压差不为常数，主要取决于实验室冷水循环泵的特性。实测试验在小流量时调节阀两端的压差大于300 kPa，甚至超出实验室既有压差传感器的标称量程范围。因为实际工程项目中末端支路调节系统两端的压差难以维持为恒定的常数。

3 被测调节阀样机A特性试验

3.1 被测调节阀样机A

试验调节阀样机A由电动执行器和调节阀组成，调节阀为R2020-6P3-S1调节型两通球阀，通径DN20，标称流通能力Kvs=6.3 m3/h，厂商名义流量特性为等百分比流量特性(配置了V形开口球面配流盘)，额定压力为4.0 MPa，关闭压力为1.4 MPa；配套电动执行器采用TR24-SR非弹簧复位通用型，电压为AC/DC 24 V，扭矩为2 N·m，标称开/关运行时间均为90 s，控制信号为DC 2～10 V，没有反馈信号。需要说明的是，GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.5.6条[13]和GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》第4.5.9条[14]均要求风机盘管宜设置常闭式电动通断阀。从经济的角度出发，目前国内风机盘管冷水系统中多采用位式调节[1]的电动通断阀。为获得被测风机盘管在标准条件下连续变流量调节时的传热特性，试验采用了连续调节的电动调节阀。与被测调节阀样机A串联运行的试验样机为SGCR1400E30型风机盘管机组，名义工况为空气干球温度27 ℃、湿球温度19.5 ℃，供水温度7 ℃，高挡风量2 380 m3/h，冷水流量2.34 m3/h，水压损失40 kPa，显热供冷量10 735 W，全热供冷量12 935 W，设计析湿系数ξm=1.20；换热面积F=18.686 6 m2；排数为每行3排，共8行；水通路数6路(6进6出)；换热管规格为Ø9.52 mm×0.35 mm；迎风面尺寸为1 886 mm×200 mm。试验采用MIK-C702S型信号发生器，输出标准电压信号范围为DC 0～15 V，标称精度为±0.2%，分辨率为0.01 V。

3.2 试验数据

3.2.1理想流量特性试验

被测调节阀样机A两端压差恒定在(100±0.7) kPa范围内，实测数据如表1所示。

表1 被测调节阀样机A理想流量特性试验数据

被测调节阀样机A的标称流通能力Kvs为6.3 m3/h，实测Kvs为6.41 m3/h，偏差为1.75%。当输入控制信号小于3.6 V(h<20%)之后，调节阀流量开始出现不稳定现象，最小流量在0.02～0.05 m3/h之间波动，逼近流量计最小测量精度，若取其算术平均值0.035 m3/h作为试验压差(100 kPa)下理想流量特性的最小可控制流量Gmin，则被测调节阀样机A理想流量特性的可调比Ra=6.41 m3/h÷0.035 m3/h=183.14，代入式(4)可计算得出其理想等百分比流量特性曲线。

3.2.2工作流量特性试验

此次试验仅对调节阀的反行程(关阀)工作流量特性做了测试，实测数据见表2。

当被测调节阀样机A的相对行程h<40%之后，调节阀两端实测压降大于255.0 kPa，超出试验压力(差)检测仪表的检测范围，这与试验设备的冷水泵特性有关。末端FCU的阻抗S会对串联调节阀实际运行工况下的阀权度产生影响，而调节阀的工作流量特性又与其实际运行工况下两端压降的变化相关。

表2 被测调节阀样机A工作流量特性试验数据

3.3 流量特性对比

图6给出了被测调节阀样机A的实测反行程(关阀)工作流量特性曲线、正行程(开阀)和反行程(关阀)理想流量特性曲线，以及将Ra=183.14代入式(4)计算得出的等百分比理想流量特性曲线。尽管为了获得良好的等百分比流量特性，被测调节阀样机A配置了V形开口球面配流盘，但其在标准工况下的理想流量特性曲线与等百分比流量特性曲线之间的差距还是显而易见的，而其在实际工作情况下的工作流量特性曲线则与等百分比流量特性曲线相距甚远。同时，被测调节阀样机A呈现出正行程(开阀)和反行程(关阀)2条流量特性曲线，而非文献[2-7]所描述的1条流量特性曲线(见图1～3)。被测调节阀样机A标称运行时间为90 s，实测相对行程0～100%的开启运行时间与100%～0的关闭运行时间均为100 s。

图6 被测调节阀样机A流量特性对比

4 被测调节阀样机B特性试验

4.1 被测调节阀样机B

海西某超高层建筑(高262 m)编号为KT/2-4的末端立式空气处理机组(AHU)安装配套DN65不锈钢阀芯及阀杆，配流碟内置一体两通调节球阀，额定压力1.6 MPa，关断压力689 kPa，等百分比流量特性，Kvs=40 m3/h，允许泄漏率为最大流量的0.01%，法兰连接。被测调节阀样机B配套非弹簧复位比例调节式电动执行器，电压为AC/DC 24 V，扭矩为24 N·m，标称运行时间为125 s，控制信号为DC 0～10 V/2～10 V或0～20 mA/4～20 mA，反馈信号为DC 0～10 V/2～10 V。

与被测调节阀样机B串联运行的立式空气处理机组型号为KLC210D-6R，名义工况为空气干球温度27 ℃、湿球温度19.5 ℃，供/回水温度7 ℃/12 ℃，风量21 000 m3/h，冷水流量25.93 m3/h，水压损失21.2 kPa，供冷量150.8 kW，电动机功率7.5 kW。

4.2 工作流量特性试验

试验控制信号采用DC 0～10 V，被测调节阀样机B实测数据见表3。小流量工况下流量计的测量精度与零点漂移、测量噪声等因素有关。被测调节阀样机B工作流量特性曲线如图7所示。

表3 被测调节阀样机B工作流量特性试验数据

图7 被测调节阀样机B工作流量特性曲线

5 辨析与讨论

5.1 理想流量特性讨论

GB/T 13927—2008《工业阀门 压力试验》规定：试验介质为液体时，试验压力至少应为阀门在20 ℃时允许最大工作压力的1.1倍；试验介质为气体时，试验压力为(0.6±0.1)MPa，A级泄漏等级要求为在试验压力持续时间内无可见泄漏[15]。被测调节阀样机A出厂检验标准满足气密A级要求。在100 kPa压差试验条件下，当输入控制信号≤3.46 V、相对行程h≤18.25%时阀门已经完全关闭，实测流量为0(Ga=0)，泄漏流量Gax=0，Ra=183.14，显著优于一般调节阀的R=30[3-5]。R值越大，其流量特性曲线的非线性特征越明显，且R值不为无穷大，因为当最小可控制流量Gmin=0时，R=Gmax/Gmin没有意义。

试验数据显示，被测调节阀样机A在100 kPa恒定压差试验条件下，因调节阀开启和关闭行程方向的不同呈现出2条不完全重合的理想流量特性曲线，无论是正行程(开阀)还是反行程(关阀)的理想流量特性曲线均呈S形，即其二阶导数大于0时曲线为凹形，二阶导数小于0时曲线为凸形，二阶导数等于0时流量特性曲线出现拐点。与其等百分比理想流量特性(Ra=183.14)二阶导数始终大于0的特征存在显著偏离。可见被测调节阀样机A的理想流量特性并非理想的等百分比流量特性。

5.2 工作流量特性讨论

图6中被测调节阀样机A的工作流量特性明显偏离其在标准压差下实测获得的理想流量特性，例如相对行程为60%时，工作流量特性相对流量为67.5%(关阀)，而理想流量特性相对流量分别为19.7%(开阀)和22.3%(关阀)，平均偏差46.5个百分点；工作流量特性关阀流量为1.73 m3/h，理想流量特性开阀和关阀流量分别为1.26 m3/h和1.43 m3/h，偏差分别达到37.3%和20.9%，且相对行程h≤40%时工作流量特性趋向于线性特征。

图7中被测调节阀样机B正/反行程呈现2条不同的工作流量特性曲线，例如相对行程为20%时，反行程(关阀)相对流量为17.6%(流量为4.12 m3/h)，正行程(开阀)相对流量为0(流量为0 m3/h)；当相对行程为30%时，正行程(开阀)相对流量为18.11% (流量为4.24 m3/h)，反行程(关阀)相对流量为37.51%(流量为8.78 m3/h)，流量之比为1∶2.07。

5.3 流量特性应用讨论

文献[2]关于两通调节阀特性和利用反向非线性流量特性q=f(h)调节阀对被控表冷器的非线性传热特性p=f(q)进行补偿，从而使得末端换热装置的相对换热量p与调节阀的相对行程h成正比的理论被形象地称为“两弯一直[16]”，如图8所示。

图8 调节阀对表冷器的非线性补偿特性[2]

2016年ASHRAE手册第47章也给出了等百分比流量特性调节阀的热输出、流量和阀杆行程特性，如图9所示[11]。

图9 等百分比流量特性调节阀的热输出、流量和阀杆行程特性[11]

“两弯一直”的学术理论在业界得到了广泛认同[3-7]。文献[5]认为，这样就可得到一个调节阀+表冷器的总组件，其输出的热量与阀门开度成正比，即输出热量与控制信号成正比。并且认为，等百分比流量特性调节阀在接近关闭时工作平稳；在接近全开时，放大作用大，工作灵敏快捷，可以在负荷变化幅度较大的系统中使用。从实际使用效果来看，完全能够满足温度控制精度要求。文献[16]对此提出了不同的观点。

值得注意的是，表冷器传热特性p=f(q)(图8a)与调节阀流量特性q=f(h)(图8b)中相对流量q应为不同的定义表述。前者为表冷器相对输出热量p=100%时最大流量的相对值，而后者为调节阀相对行程h=100%时最大流量的相对值，虽然两者采用的都是相对流量q，但是具有不同的物理概念定义，不能混淆。

以被测调节阀样机A为例，其理想流量特性的最大试验流量Galmax=6.41 m3/h时相对流量qal=100%，流量调节范围为0～6.41 m3/h(qal=0～100%)；而其试验工作流量特性qag=100%时最大工作流量Gagmax=2.564 m3/h，流量调节范围仅为0～2.564 m3/h(qag=0～100%)。且在不同的资用压头工况下或者串联性能规格不同的表冷器情况下，其工作流量特性qag=100%时最大工作流量Gagmax亦不相同。故调节阀不同流量特性q=f(h)所描述的相对流量q具有不同的物理定义。

调节阀理想流量特性与末端装置无关，而其合理的工作流量特性中q=100%应取决于与之串联的末端表冷器的额定流量，且表冷器的额定流量受国家相关标准的约束。此次试验的风机盘管机组在额定试验工况[12]时的额定流量为2.564 m3/h(供回水温差为5 ℃)，故当调节阀进行工作流量特性试验时，被测调节阀样机A相对行程h=100%对应的最大试验流量亦为2.564 m3/h，并以此确定其相对流量qag=100%。

在实际工程运行中，调节阀的工作流量与串联运行的表冷器的流量相等，且并不一定等于表冷器的额定流量。例如，被测调节阀样机B的工作流量特性试验中，当调节阀相对行程hbg=100%时调节阀与表冷器的工作流量均为22.67 m3/h (qbg=100%)，约为AHU额定流量(25.93 m3/h)的87.43%。由于实际工程中影响对象特性的因素很多，调节阀的工作流量特性难以用分析法求解[8,13]。

从试验数据看，A和B两款以等百分比流量特性标称的电动调节阀，其工作流量特性均与文献[2-7, 11]描述的理想等百分比流量特性相去甚远。因此，无论是配置了专门配流盘的等百分比流量特性电动调节阀样机A，还是配流碟内置一体两通调节阀样机B，均难以满足表冷器输出相对冷量p与调节阀相对行程h之间p=f(h)的线性流量特性(见图8c)，无法实现以调节阀的工作流量特性即调节阀的放大系数去补偿表冷器放大系数的变化，以保证系统总开环放大系数不变，进而使得系统达到较好的控制效果[13]。

依据试验结果有理由对“两弯一直”非线性补偿观点的基础理论依据和实践应用价值提出质疑。文献[8]指出：不同的表冷器在不同工况下呈现出不同的流量特性曲线，而调节阀的等百分比流量特性会随阀权度和可调比的变化而变化，传统的“用一个反向非线性特性的控制阀补偿末端设备的非线性特性”的理论并不成立。图8、9这种被诸多文献引用的“经典”并无实际意义。

5.4 关于阀权度的讨论

阀权度是在实际工作情况下，调节阀全开时，阀门的压力损失占包括阀门本身在内的该调节支路总压力损失的比例[1]。2016年ASHRAE手册[11]中定义阀权度=阀门压差÷(阀门压差+支路压差)，阀权度的范围在0～1之间，并且指出：过低的阀权度会导致该支路流量、温度和压力的振荡，表冷器输出冷量的变化幅度过大，不能精确调节实现按需供给；阀权度为1时调节阀按其理论流量曲线运行；阀权度过高时，即使阀门全开，也会造成过高的压力损失。阀权度在0.25～0.50之间时，通常可在可控性和节能性之间获得适当的平衡。文献[5]也认为，当阀权度为1时，调节阀的工作流量特性曲线与理想流量特性曲线一致。但是，依据调节阀工作流量特性定义[1]，实际工作情况下在调节阀行程变化(不论是正行程还是反行程)的过程中调节阀两端的压差并非恒定值，亦不能始终恒定在100 kPa，故调节阀的工作流量特性与理想流量特性难以一致，因为阀权度定义的前提条件是调节阀全开。

以被测调节阀样机A工作流量特性试验为例，当调节阀全开时(hag=100%)，调节阀两端实测水阻压降为18.7 kPa，与其串联运行的FCU在额定试验工况[12]下实测水阻压降为50.5 kPa。若忽略试验支路沿程阻力和其他局部阻力损失，以18.7 kPa÷(18.7 kPa+50.5 kPa)计算，调节阀的阀权度为0.27，满足2016年ASHRAE手册[11]的推荐值(0.25～0.50)，但小于我国GB 50736—2012条文说明[13]的期望值(0.3～0.7)。鉴于受FCU额定试验工况标准[12]的制约，若希望提高试验工况下被测调节阀样机A的阀权度，满足GB 50736—2012标准[13]的推荐值，则须额外提高试验支路资用压头，同时合理降低被测调节阀样机A的流通能力Kvs值，这与经济运行的初衷相悖。

在实际工作情况下，由于FCU与AHU所用的表冷器结构不同，因此表冷器的传热特性曲线并不相同；表冷器工作压力损失的差异，致使调节阀的压力损失也不同，进而造成工作流量特性的多样化。鉴于阀权度的定义，实际工作情况下调节阀在末端支路中的阀权度不仅与调节阀自身的流通能力和流量特性有关，还与其串联运行的FCU(或AHU)的实际工作压力损失相关。2016年ASHRAE手册[11]第47章分别给出了阀权度对线性和等百分比流量特性调节阀的影响，如图10所示。

图10 阀权度对调节阀工作流量特性的影响[11]

试验数据未能对“在设计工况下，调节阀的阀权度越大，调节性能越好[5]”的观点提供相关支持。

6 结论

1) 被测调节阀样机A依据GB/T 30832—2014标准试验条件获得的理想流量特性曲线与相关文献所描述的调节阀快开流量特性、线性流量特性、等百分比流量特性、抛物线流量特性，以及修正的等百分比流量特性、平方根流量特性均存在显著的区别，呈现独特的近似S形特征。

2) 被测调节阀样机A和B均存在正/反行程2条不同的工作流量特性曲线，或者说，调节阀的q=f(h)流量特性在开阀和关阀工况存在不同的函数关系，且不能相互替代，其理想流量特性也不例外。

3) 试验数据不能对“在设计工况下，调节阀的阀权度越大，调节性能越好”的观点提供支持。

4) 鉴于此类球型调节阀独特的q=f(h)流量特性特征，无论是其理想流量特性还是工作流量特性，均无法对表冷器非线性传热特性p=f(q)实施正比线性补偿，“两弯”难以实现“一直”。

5) 对以调节阀的工作流量特性即调节阀的放大系数去补偿表冷器放大系数的变化，以保证系统总开环放大系数不变，进而使得系统达到较好的控制效果的“两弯一直”非线性补偿观点的基础理论依据和实践应用价值提出了质疑。