基于調節閥流量特性試驗的研究和分析

上海潤風智能科技有限公司 劉新民

0 引言

調節閥[1]作為末端換熱裝置的變流量調節機構在集中式空調系統中起到重要的控制和節能作用，在工程中得到廣泛應用。長期以來，一些學者對調節閥的理想流量特性和工作流量特性[1]進行了不懈的研究，取得許多研究成果[2-9]，但大多數研究缺乏試驗數據支持或未經過實際工程應用的檢驗。因此，本文以試驗為基礎，通過對電動調節閥樣機的試驗測試，分別獲得被測調節閥樣機A在標準試驗工況[10]下的理想流量特性和在實際工作情況下的工作流量特性，進而對其流量特性進行辨析和討論，期望為集中空調冷水系統末端設施優化調適和水系統節能控制技術的進一步研究夯實基礎。

1 調節閥的流量特性

調節閥的流量特性是指介質流過調節閥的相對流量q與調節閥相對開度k之間的函數關系(q=f(k))[1]。GB/T 50155—2015《供暖通風與空氣調節術語標準》分別定義了快開流量特性、線性流量特性、等百分比流量特性和拋物線流量特性4種調節閥流量特性術語[1]；2016年ASHRAE手冊第47章分別給出了調節閥的快開、線性和等百分比3種流量特性曲線，如圖1所示[11]。

圖1 調節閥流量特性曲線[11]

文獻[2]針對線性特性、等百分比特性和修正的等百分比特性3種調節閥流量特性進行了研究；文獻[3-4]則將調節閥流量特性分為平方根、線性、拋物線和等百分比4種類型，并給出了各自流量特性的數學表達式。

平方根流量特性：

(1)

線性流量特性：

(2)

拋物線流量特性：

(3)

等百分比流量特性：

q=Rk-1

(4)

式(1)～(4)中R為調節閥可調比(調節閥所能控制的最大流量Gmax與最小流量Gmin之比[1])。

圖2給出了調節閥可調比R=30時的理想流量特性曲線。

圖2 調節閥理想流量特性曲線(R=30)

由圖2可以看出，相對開度k=0時，約有3.33%的理論計算流量不可控。為避免調節閥關斷時(k=0)相對流量q>0，市場上的調節閥多為改良型流量特性，例如將理論等百分比流量特性改良為修正的等百分比流量特性[2]，滿足相對開度k=0時相對流量q=0(即流量G=0)的要求，如圖3所示。

圖3 調節閥理想流量特性修正曲線(R=30)

2 試驗工況說明

2.1 試驗標準依據

依據GB/T 50155—2015[1]的定義，調節閥理想流量特性和工作流量特性均為相對流量q與相對開度k之間的函數關系q=f(k)。由于被測調節閥樣機的相對開度k與其相對行程h并不吻合，例如樣機A相對行程h≤18.25%時其相對流量q=0，調節閥并未實質性開啟，可視其相對開度k依舊為0。故本文采用相對行程h描述被測調節閥樣機的流量特性(q=f(h))。

調節閥的理想流量特性試驗依據GB/T 30832—2014《閥門 流量系數和流阻系數試驗方法》[10]設定測試條件：進出口兩端壓差恒定為100 kPa，流體密度為1 g/cm3，流量G為單位時間內流經閥門的水的體積流量，單位為m3/h。

調節閥的工作流量特性試驗依據GB/T 19232—2003《風機盤管機組》[12]設定串聯支路中風機盤管機組額定供冷量試驗工況參數，確定試驗支路冷水流量，即調節閥工作流量特性中相對行程h=100%時所對應的最大工作流量Gagmax(q=100%)。

2.2 試驗工況

2.2.1理想流量特性試驗

通過對循環水泵運行頻率的自動調節將被測調節閥樣機A兩端壓差恒定在100 kPa，采用MIK-C702S型信號發生器輸出DC 2～10 V控制信號調節電動調節閥的行程，完成調節閥理想流量特性的試驗測試。信號發生器輸出的標準電信號與被測調節閥樣機A的相對行程h呈線性關系，如圖4所示。

圖4 被測調節閥樣機A的控制特性

調節閥理想流量特性試驗包括輸入電壓由DC 2 V向DC 10 V逐步增加的正行程(開閥)控制試驗和輸入電壓自DC 10V至DC 2 V逐步減小的反行程(關閥)控制試驗。輸入標準信號調節增減量為±0.4 V，對應調節閥相對行程增減量為±5%。

2.2.2工作流量特性試驗

被測調節閥樣機A工作流量特性的試驗與風機盤管機組傳熱特性的試驗同步進行，試驗系統如圖5所示。

圖5 被測調節閥樣機A工作流量特性試驗系統

依據GB/T 19232—2003第5.1.3條[12]設定被測風機盤管機組額定供冷量試驗工況參數，按標準溫差得出試驗支路冷水流量。采用信號發生器輸出的標準電信號調節電動調節閥的行程，同步完成被測調節閥樣機A的工作流量特性試驗和被測風機盤管(FCU)樣機的傳熱特性試驗。

文獻[4]認為：調節閥的流量特性都有限制條件，理想流量特性限制調節閥兩端的壓差為常數，工作流量特性限制調節系統兩端的壓差為常數。此次試驗遵照GB/T 50155—2015[1]的規定，采用實際試驗工作情況下的流量特性定義被測調節閥樣機A的工作流量特性，即支路調節系統兩端的壓差不為常數，主要取決于實驗室冷水循環泵的特性。實測試驗在小流量時調節閥兩端的壓差大于300 kPa，甚至超出實驗室既有壓差傳感器的標稱量程范圍。因為實際工程項目中末端支路調節系統兩端的壓差難以維持為恒定的常數。

3 被測調節閥樣機A特性試驗

3.1 被測調節閥樣機A

試驗調節閥樣機A由電動執行器和調節閥組成，調節閥為R2020-6P3-S1調節型兩通球閥，通徑DN20，標稱流通能力Kvs=6.3 m3/h，廠商名義流量特性為等百分比流量特性(配置了V形開口球面配流盤)，額定壓力為4.0 MPa，關閉壓力為1.4 MPa；配套電動執行器采用TR24-SR非彈簧復位通用型，電壓為AC/DC 24 V，扭矩為2 N·m，標稱開/關運行時間均為90 s，控制信號為DC 2～10 V，沒有反饋信號。需要說明的是，GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》第8.5.6條[13]和GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》第4.5.9條[14]均要求風機盤管宜設置常閉式電動通斷閥。從經濟的角度出發，目前國內風機盤管冷水系統中多采用位式調節[1]的電動通斷閥。為獲得被測風機盤管在標準條件下連續變流量調節時的傳熱特性，試驗采用了連續調節的電動調節閥。與被測調節閥樣機A串聯運行的試驗樣機為SGCR1400E30型風機盤管機組，名義工況為空氣干球溫度27 ℃、濕球溫度19.5 ℃，供水溫度7 ℃，高擋風量2 380 m3/h，冷水流量2.34 m3/h，水壓損失40 kPa，顯熱供冷量10 735 W，全熱供冷量12 935 W，設計析濕系數ξm=1.20；換熱面積F=18.686 6 m2；排數為每行3排，共8行；水通路數6路(6進6出)；換熱管規格為?9.52 mm×0.35 mm；迎風面尺寸為1 886 mm×200 mm。試驗采用MIK-C702S型信號發生器，輸出標準電壓信號范圍為DC 0～15 V，標稱精度為±0.2%，分辨率為0.01 V。

3.2 試驗數據

3.2.1理想流量特性試驗

被測調節閥樣機A兩端壓差恒定在(100±0.7) kPa范圍內，實測數據如表1所示。

表1 被測調節閥樣機A理想流量特性試驗數據

被測調節閥樣機A的標稱流通能力Kvs為6.3 m3/h，實測Kvs為6.41 m3/h，偏差為1.75%。當輸入控制信號小于3.6 V(h<20%)之后，調節閥流量開始出現不穩定現象，最小流量在0.02～0.05 m3/h之間波動，逼近流量計最小測量精度，若取其算術平均值0.035 m3/h作為試驗壓差(100 kPa)下理想流量特性的最小可控制流量Gmin，則被測調節閥樣機A理想流量特性的可調比Ra=6.41 m3/h÷0.035 m3/h=183.14，代入式(4)可計算得出其理想等百分比流量特性曲線。

3.2.2工作流量特性試驗

此次試驗僅對調節閥的反行程(關閥)工作流量特性做了測試，實測數據見表2。

當被測調節閥樣機A的相對行程h<40%之后，調節閥兩端實測壓降大于255.0 kPa，超出試驗壓力(差)檢測儀表的檢測范圍，這與試驗設備的冷水泵特性有關。末端FCU的阻抗S會對串聯調節閥實際運行工況下的閥權度產生影響，而調節閥的工作流量特性又與其實際運行工況下兩端壓降的變化相關。

表2 被測調節閥樣機A工作流量特性試驗數據

3.3 流量特性對比

圖6給出了被測調節閥樣機A的實測反行程(關閥)工作流量特性曲線、正行程(開閥)和反行程(關閥)理想流量特性曲線，以及將Ra=183.14代入式(4)計算得出的等百分比理想流量特性曲線。盡管為了獲得良好的等百分比流量特性，被測調節閥樣機A配置了V形開口球面配流盤，但其在標準工況下的理想流量特性曲線與等百分比流量特性曲線之間的差距還是顯而易見的，而其在實際工作情況下的工作流量特性曲線則與等百分比流量特性曲線相距甚遠。同時，被測調節閥樣機A呈現出正行程(開閥)和反行程(關閥)2條流量特性曲線，而非文獻[2-7]所描述的1條流量特性曲線(見圖1～3)。被測調節閥樣機A標稱運行時間為90 s，實測相對行程0～100%的開啟運行時間與100%～0的關閉運行時間均為100 s。

圖6 被測調節閥樣機A流量特性對比

4 被測調節閥樣機B特性試驗

4.1 被測調節閥樣機B

海西某超高層建筑(高262 m)編號為KT/2-4的末端立式空氣處理機組(AHU)安裝配套DN65不銹鋼閥芯及閥桿，配流碟內置一體兩通調節球閥，額定壓力1.6 MPa，關斷壓力689 kPa，等百分比流量特性，Kvs=40 m3/h，允許泄漏率為最大流量的0.01%，法蘭連接。被測調節閥樣機B配套非彈簧復位比例調節式電動執行器，電壓為AC/DC 24 V，扭矩為24 N·m，標稱運行時間為125 s，控制信號為DC 0～10 V/2～10 V或0～20 mA/4～20 mA，反饋信號為DC 0～10 V/2～10 V。

與被測調節閥樣機B串聯運行的立式空氣處理機組型號為KLC210D-6R，名義工況為空氣干球溫度27 ℃、濕球溫度19.5 ℃，供/回水溫度7 ℃/12 ℃，風量21 000 m3/h，冷水流量25.93 m3/h，水壓損失21.2 kPa，供冷量150.8 kW，電動機功率7.5 kW。

4.2 工作流量特性試驗

試驗控制信號采用DC 0～10 V，被測調節閥樣機B實測數據見表3。小流量工況下流量計的測量精度與零點漂移、測量噪聲等因素有關。被測調節閥樣機B工作流量特性曲線如圖7所示。

表3 被測調節閥樣機B工作流量特性試驗數據

圖7 被測調節閥樣機B工作流量特性曲線

5 辨析與討論

5.1 理想流量特性討論

GB/T 13927—2008《工業閥門 壓力試驗》規定：試驗介質為液體時，試驗壓力至少應為閥門在20 ℃時允許最大工作壓力的1.1倍；試驗介質為氣體時，試驗壓力為(0.6±0.1)MPa，A級泄漏等級要求為在試驗壓力持續時間內無可見泄漏[15]。被測調節閥樣機A出廠檢驗標準滿足氣密A級要求。在100 kPa壓差試驗條件下，當輸入控制信號≤3.46 V、相對行程h≤18.25%時閥門已經完全關閉，實測流量為0(Ga=0)，泄漏流量Gax=0，Ra=183.14，顯著優于一般調節閥的R=30[3-5]。R值越大，其流量特性曲線的非線性特征越明顯，且R值不為無窮大，因為當最小可控制流量Gmin=0時，R=Gmax/Gmin沒有意義。

試驗數據顯示，被測調節閥樣機A在100 kPa恒定壓差試驗條件下，因調節閥開啟和關閉行程方向的不同呈現出2條不完全重合的理想流量特性曲線，無論是正行程(開閥)還是反行程(關閥)的理想流量特性曲線均呈S形，即其二階導數大于0時曲線為凹形，二階導數小于0時曲線為凸形，二階導數等于0時流量特性曲線出現拐點。與其等百分比理想流量特性(Ra=183.14)二階導數始終大于0的特征存在顯著偏離。可見被測調節閥樣機A的理想流量特性并非理想的等百分比流量特性。

5.2 工作流量特性討論

圖6中被測調節閥樣機A的工作流量特性明顯偏離其在標準壓差下實測獲得的理想流量特性，例如相對行程為60%時，工作流量特性相對流量為67.5%(關閥)，而理想流量特性相對流量分別為19.7%(開閥)和22.3%(關閥)，平均偏差46.5個百分點；工作流量特性關閥流量為1.73 m3/h，理想流量特性開閥和關閥流量分別為1.26 m3/h和1.43 m3/h，偏差分別達到37.3%和20.9%，且相對行程h≤40%時工作流量特性趨向于線性特征。

圖7中被測調節閥樣機B正/反行程呈現2條不同的工作流量特性曲線，例如相對行程為20%時，反行程(關閥)相對流量為17.6%(流量為4.12 m3/h)，正行程(開閥)相對流量為0(流量為0 m3/h)；當相對行程為30%時，正行程(開閥)相對流量為18.11% (流量為4.24 m3/h)，反行程(關閥)相對流量為37.51%(流量為8.78 m3/h)，流量之比為1∶2.07。

5.3 流量特性應用討論

文獻[2]關于兩通調節閥特性和利用反向非線性流量特性q=f(h)調節閥對被控表冷器的非線性傳熱特性p=f(q)進行補償，從而使得末端換熱裝置的相對換熱量p與調節閥的相對行程h成正比的理論被形象地稱為“兩彎一直[16]”，如圖8所示。

圖8 調節閥對表冷器的非線性補償特性[2]

2016年ASHRAE手冊第47章也給出了等百分比流量特性調節閥的熱輸出、流量和閥桿行程特性，如圖9所示[11]。

圖9 等百分比流量特性調節閥的熱輸出、流量和閥桿行程特性[11]

“兩彎一直”的學術理論在業界得到了廣泛認同[3-7]。文獻[5]認為，這樣就可得到一個調節閥+表冷器的總組件，其輸出的熱量與閥門開度成正比，即輸出熱量與控制信號成正比。并且認為，等百分比流量特性調節閥在接近關閉時工作平穩；在接近全開時，放大作用大，工作靈敏快捷，可以在負荷變化幅度較大的系統中使用。從實際使用效果來看，完全能夠滿足溫度控制精度要求。文獻[16]對此提出了不同的觀點。

值得注意的是，表冷器傳熱特性p=f(q)(圖8a)與調節閥流量特性q=f(h)(圖8b)中相對流量q應為不同的定義表述。前者為表冷器相對輸出熱量p=100%時最大流量的相對值，而后者為調節閥相對行程h=100%時最大流量的相對值，雖然兩者采用的都是相對流量q，但是具有不同的物理概念定義，不能混淆。

以被測調節閥樣機A為例，其理想流量特性的最大試驗流量Galmax=6.41 m3/h時相對流量qal=100%，流量調節范圍為0～6.41 m3/h(qal=0～100%)；而其試驗工作流量特性qag=100%時最大工作流量Gagmax=2.564 m3/h，流量調節范圍僅為0～2.564 m3/h(qag=0～100%)。且在不同的資用壓頭工況下或者串聯性能規格不同的表冷器情況下，其工作流量特性qag=100%時最大工作流量Gagmax亦不相同。故調節閥不同流量特性q=f(h)所描述的相對流量q具有不同的物理定義。

調節閥理想流量特性與末端裝置無關，而其合理的工作流量特性中q=100%應取決于與之串聯的末端表冷器的額定流量，且表冷器的額定流量受國家相關標準的約束。此次試驗的風機盤管機組在額定試驗工況[12]時的額定流量為2.564 m3/h(供回水溫差為5 ℃)，故當調節閥進行工作流量特性試驗時，被測調節閥樣機A相對行程h=100%對應的最大試驗流量亦為2.564 m3/h，并以此確定其相對流量qag=100%。

在實際工程運行中，調節閥的工作流量與串聯運行的表冷器的流量相等，且并不一定等于表冷器的額定流量。例如，被測調節閥樣機B的工作流量特性試驗中，當調節閥相對行程hbg=100%時調節閥與表冷器的工作流量均為22.67 m3/h (qbg=100%)，約為AHU額定流量(25.93 m3/h)的87.43%。由于實際工程中影響對象特性的因素很多，調節閥的工作流量特性難以用分析法求解[8,13]。

從試驗數據看，A和B兩款以等百分比流量特性標稱的電動調節閥，其工作流量特性均與文獻[2-7, 11]描述的理想等百分比流量特性相去甚遠。因此，無論是配置了專門配流盤的等百分比流量特性電動調節閥樣機A，還是配流碟內置一體兩通調節閥樣機B，均難以滿足表冷器輸出相對冷量p與調節閥相對行程h之間p=f(h)的線性流量特性(見圖8c)，無法實現以調節閥的工作流量特性即調節閥的放大系數去補償表冷器放大系數的變化，以保證系統總開環放大系數不變，進而使得系統達到較好的控制效果[13]。

依據試驗結果有理由對“兩彎一直”非線性補償觀點的基礎理論依據和實踐應用價值提出質疑。文獻[8]指出：不同的表冷器在不同工況下呈現出不同的流量特性曲線，而調節閥的等百分比流量特性會隨閥權度和可調比的變化而變化，傳統的“用一個反向非線性特性的控制閥補償末端設備的非線性特性”的理論并不成立。圖8、9這種被諸多文獻引用的“經典”并無實際意義。

5.4 關于閥權度的討論

閥權度是在實際工作情況下，調節閥全開時，閥門的壓力損失占包括閥門本身在內的該調節支路總壓力損失的比例[1]。2016年ASHRAE手冊[11]中定義閥權度=閥門壓差÷(閥門壓差+支路壓差)，閥權度的范圍在0～1之間，并且指出：過低的閥權度會導致該支路流量、溫度和壓力的振蕩，表冷器輸出冷量的變化幅度過大，不能精確調節實現按需供給；閥權度為1時調節閥按其理論流量曲線運行；閥權度過高時，即使閥門全開，也會造成過高的壓力損失。閥權度在0.25～0.50之間時，通?？稍诳煽匦院凸澞苄灾g獲得適當的平衡。文獻[5]也認為，當閥權度為1時，調節閥的工作流量特性曲線與理想流量特性曲線一致。但是，依據調節閥工作流量特性定義[1]，實際工作情況下在調節閥行程變化(不論是正行程還是反行程)的過程中調節閥兩端的壓差并非恒定值，亦不能始終恒定在100 kPa，故調節閥的工作流量特性與理想流量特性難以一致，因為閥權度定義的前提條件是調節閥全開。

以被測調節閥樣機A工作流量特性試驗為例，當調節閥全開時(hag=100%)，調節閥兩端實測水阻壓降為18.7 kPa，與其串聯運行的FCU在額定試驗工況[12]下實測水阻壓降為50.5 kPa。若忽略試驗支路沿程阻力和其他局部阻力損失，以18.7 kPa÷(18.7 kPa+50.5 kPa)計算，調節閥的閥權度為0.27，滿足2016年ASHRAE手冊[11]的推薦值(0.25～0.50)，但小于我國GB 50736—2012條文說明[13]的期望值(0.3～0.7)。鑒于受FCU額定試驗工況標準[12]的制約，若希望提高試驗工況下被測調節閥樣機A的閥權度，滿足GB 50736—2012標準[13]的推薦值，則須額外提高試驗支路資用壓頭，同時合理降低被測調節閥樣機A的流通能力Kvs值，這與經濟運行的初衷相悖。

在實際工作情況下，由于FCU與AHU所用的表冷器結構不同，因此表冷器的傳熱特性曲線并不相同；表冷器工作壓力損失的差異，致使調節閥的壓力損失也不同，進而造成工作流量特性的多樣化。鑒于閥權度的定義，實際工作情況下調節閥在末端支路中的閥權度不僅與調節閥自身的流通能力和流量特性有關，還與其串聯運行的FCU(或AHU)的實際工作壓力損失相關。2016年ASHRAE手冊[11]第47章分別給出了閥權度對線性和等百分比流量特性調節閥的影響，如圖10所示。

圖10 閥權度對調節閥工作流量特性的影響[11]

試驗數據未能對“在設計工況下，調節閥的閥權度越大，調節性能越好[5]”的觀點提供相關支持。

6 結論

1) 被測調節閥樣機A依據GB/T 30832—2014標準試驗條件獲得的理想流量特性曲線與相關文獻所描述的調節閥快開流量特性、線性流量特性、等百分比流量特性、拋物線流量特性，以及修正的等百分比流量特性、平方根流量特性均存在顯著的區別，呈現獨特的近似S形特征。

2) 被測調節閥樣機A和B均存在正/反行程2條不同的工作流量特性曲線，或者說，調節閥的q=f(h)流量特性在開閥和關閥工況存在不同的函數關系，且不能相互替代，其理想流量特性也不例外。

3) 試驗數據不能對“在設計工況下，調節閥的閥權度越大，調節性能越好”的觀點提供支持。

4) 鑒于此類球型調節閥獨特的q=f(h)流量特性特征，無論是其理想流量特性還是工作流量特性，均無法對表冷器非線性傳熱特性p=f(q)實施正比線性補償，“兩彎”難以實現“一直”。

5) 對以調節閥的工作流量特性即調節閥的放大系數去補償表冷器放大系數的變化，以保證系統總開環放大系數不變，進而使得系統達到較好的控制效果的“兩彎一直”非線性補償觀點的基礎理論依據和實踐應用價值提出了質疑。