在工業(yè)生產(chǎn)的龐大體系中，閥門是流體輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，就像人體的血管瓣膜一樣，精確調(diào)控著各類流體的流向、壓力與流量。閥門開度作為衡量閥門開啟程度的重要指標(biāo)，其控制的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性。從傳統(tǒng)制造業(yè)到高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，從日常生活的供水供電到復(fù)雜的航空航天領(lǐng)域，閥門開度的有效管理都發(fā)揮著不可替代的作用。本文將對(duì)閥門開度進(jìn)行全面且深入的剖析，希望能為相關(guān)領(lǐng)域的從業(yè)者提供有益的參考。
閥門開度的基本概念
1.1 定義
閥門開度指閥門開啟的程度，表征了閥門內(nèi)部通道的流通面積大小。這一參數(shù)直接決定了流體在單位時(shí)間內(nèi)通過閥門的流量，在各類涉及流體傳輸與控制的系統(tǒng)中，扮演著極為重要的角色。閥門開度的變化能夠改變流體的流速、壓力以及流量分配，從而滿足不同工況下的運(yùn)行需求。
1.2 表示方法
1.2.1 百分比表示法
百分比表示法是最為普遍的閥門開度表示方式。這種方法將閥門從全關(guān)到全開的整個(gè)行程劃分為100等份，每一份對(duì)應(yīng)1%的開度。例如，當(dāng)閥門開啟到一半行程時(shí)，其開度即為50%。這種表示方法直觀易懂，便于操作人員理解和比較不同閥門的開啟狀態(tài)，在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，能夠與各種控制算法和監(jiān)控軟件無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)精確的開度控制與監(jiān)測(cè)。
1.2.2 角度表示法
對(duì)于旋轉(zhuǎn)式閥門，如蝶閥，角度表示法更為常用。通常將閥門關(guān)閉時(shí)的角度設(shè)定為0°，全開時(shí)的角度設(shè)定為90°。在閥門開啟過程中，通過實(shí)際旋轉(zhuǎn)的角度來描述其開度。例如，當(dāng)?shù)y旋轉(zhuǎn)45°時(shí)，其開度即為45°。這種表示方法與蝶閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，能夠直接反映閥門內(nèi)部閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，對(duì)于理解蝶閥的工作原理和流量控制特性具有重要意義。
1.2.3 位移表示法
在閘閥、截止閥等直線運(yùn)動(dòng)閥門中，位移表示法較為適用。它通過測(cè)量閥門閥桿的位移量來確定閥門開度。一般以閥門全關(guān)時(shí)閥桿的位置為基準(zhǔn)點(diǎn)，全開時(shí)閥桿的位移量為最大值。例如，某閘閥的最大閥桿位移為50mm，當(dāng)閥桿位移25mm時(shí)，閥門開度為50%。這種表示方法直接反映了閥門內(nèi)部閥座與閥芯之間的相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)于精確控制閥門的流通面積具有重要作用。
閥門開度與流量的關(guān)系
2.1 流量特性
閥門開度與通過閥門的流量之間存在著密切的關(guān)系，但這種關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。不同類型的閥門具有各自獨(dú)特的流量特性曲線，這些曲線反映了閥門在不同開度下的流量變化規(guī)律。常見的流量特性曲線有快開特性、線性特性、等百分比特性和拋物線特性。
2.1.1 快開特性
具有快開特性的閥門，在開啟初期，閥桿稍有移動(dòng)，閥門的流通面積就迅速增大，流量增加較快。隨著開度的進(jìn)一步增大，流量增加的速度逐漸變緩。快開特性閥門的行程一般為10%-20%就能達(dá)到接近全開的流量。這種閥門適用于需要快速啟閉的場(chǎng)合，如消防系統(tǒng)中的緊急切斷閥，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠迅速打開，提供足夠的消防用水。
2.1.2 線性特性
線性特性閥門的流量與閥門開度呈近似線性關(guān)系，即閥門開度變化一定比例，流量也相應(yīng)變化一定比例。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Q=K×L，其中Q為流量，K為比例系數(shù)，L為閥門開度。這種特性的閥門在調(diào)節(jié)過程中，流量變化平穩(wěn)，易于控制，適用于對(duì)流量控制精度要求較高的場(chǎng)合，如化工生產(chǎn)中的物料流量控制。
2.1.3 等百分比特性
等百分比特性閥門的特點(diǎn)是，在閥門開度變化時(shí)，流量的相對(duì)變化率與閥門開度成正比。也就是說，在小開度時(shí)，閥門的流通面積變化較小，流量變化也較小；在大開度時(shí)，閥門的流通面積變化較大，流量變化也較大。這種特性使得閥門在不同工況下都能實(shí)現(xiàn)較為精確的流量調(diào)節(jié)，廣泛應(yīng)用于需要精確控制流量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如供暖系統(tǒng)中的流量調(diào)節(jié)。
2.1.4 拋物線特性
拋物線特性閥門的流量與閥門開度的平方成正比，其流量變化介于線性特性和等百分比特性之間。在小開度時(shí)，流量變化比線性特性閥門更緩慢。在大開度時(shí)，流量變化比等百分比特性閥門更迅速。這種特性的閥門適用于一些特殊的流量控制場(chǎng)合，如污水處理系統(tǒng)中的流量調(diào)節(jié)。
2.2 影響因素
閥門開度與流量的關(guān)系并非固定不變，還受到多種因素的影響。
2.2.1 流體性質(zhì)
不同性質(zhì)的流體，如液體、氣體、蒸汽等，其物理特性(如密度、粘度、壓縮性等)差異較大，會(huì)對(duì)閥門開度與流量的關(guān)系產(chǎn)生顯著影響。例如，對(duì)于粘性較大的流體，在閥門開度較小時(shí)，由于流體的阻力較大，流量增加較為緩慢；而對(duì)于壓縮性較大的氣體，在閥門開度變化時(shí)，氣體的體積會(huì)發(fā)生較大變化，從而影響流量的變化規(guī)律。
2.2.2 管道阻力
管道系統(tǒng)中的阻力，包括管道內(nèi)壁的摩擦力、管道附件(如彎頭、三通、過濾器等)的局部阻力等，會(huì)對(duì)閥門前后的壓力差產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響閥門開度與流量的關(guān)系。當(dāng)管道阻力較大時(shí)，閥門需要更大的開度才能達(dá)到相同的流量；反之，當(dāng)管道阻力較小時(shí)，閥門開度相對(duì)較小就能實(shí)現(xiàn)相同的流量。
2.2.3 閥門前后壓力
差閥門前后的壓力差是決定流量大小的重要因素之一。在閥門開度一定的情況下，壓力差越大，通過閥門的流量就越大。然而，隨著閥門開度的變化，閥門前后的壓力差也會(huì)發(fā)生變化，從而影響流量的變化規(guī)律。例如，在一些高壓系統(tǒng)中，閥門開度的微小變化可能會(huì)導(dǎo)致壓力差的大幅波動(dòng)，進(jìn)而引起流量的劇烈變化。
閥門開度的控制方式
3.1 手動(dòng)控制
手動(dòng)控制是最為傳統(tǒng)和簡(jiǎn)單的閥門開度控制方式。操作人員通過直接操作閥門的手輪、手柄或扳手等裝置，改變閥門的開啟程度。這種控制方式適用于一些不需要頻繁調(diào)節(jié)，且對(duì)控制精度要求不高的場(chǎng)合，如小型工廠的給排水系統(tǒng)、家庭的自來水閥門等。手動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高；缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化調(diào)節(jié)。
3.2 電動(dòng)控制
電動(dòng)控制是利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門的開閉，通過電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門開度的精確控制。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常由電動(dòng)機(jī)、減速器、位置反饋裝置和控制電路等部分組成。控制信號(hào)可以是模擬量信號(hào)(如4-20mA電流信號(hào)、0-10V電壓信號(hào))，也可以是數(shù)字量信號(hào)(如RS485通信信號(hào)、CAN總線信號(hào))。電動(dòng)控制具有控制精度高、操作方便、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。然而，電動(dòng)控制也存在一些缺點(diǎn)，如能耗較高、響應(yīng)速度相對(duì)較慢、在易燃易爆環(huán)境中使用時(shí)需要采取特殊的防爆措施。
3.3 氣動(dòng)控制
氣動(dòng)控制以壓縮空氣為動(dòng)力源，通過氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥門開度。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有薄膜式和活塞式兩種類型。薄膜式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，適用于中小口徑閥門的控制；活塞式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力大，適用于大口徑閥門和高壓力場(chǎng)合。氣動(dòng)控制具有響應(yīng)速度快、動(dòng)作靈敏、安全可靠等特點(diǎn)，在易燃易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)所得到了廣泛應(yīng)用。此外，氣動(dòng)控制還具有能耗低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但氣動(dòng)控制需要配備壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)，增加了設(shè)備投資和運(yùn)行成本。
3.4 液動(dòng)控制
液動(dòng)控制采用液壓油作為動(dòng)力介質(zhì)，通過液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥門。液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有輸出力大、響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于大口徑、高壓力的閥門控制。在一些大型水利工程、石油化工項(xiàng)目中，液動(dòng)控制得到了廣泛應(yīng)用。然而，液動(dòng)控制也存在一些缺點(diǎn)，如液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、需要定期維護(hù)和保養(yǎng)，液壓油泄漏還可能對(duì)環(huán)境造成污染。
閥門開度的檢測(cè)與反饋
4.1 機(jī)械位置檢測(cè)
4.1.1 電位器式位置傳感器
電位器式位置傳感器是一種常用的機(jī)械位置檢測(cè)裝置。它通過將閥門閥桿的位移轉(zhuǎn)化為電位器的電阻值變化，再將電阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但精度相對(duì)較低，容易受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。
4.1.2 編碼器式位置傳感器
編碼器式位置傳感器通過測(cè)量閥門閥桿的旋轉(zhuǎn)角度或直線位移，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。編碼器分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器兩種類型。增量式編碼器只能測(cè)量閥門開度的變化量，需要在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行初始化；絕對(duì)式編碼器則可以直接測(cè)量閥門的絕對(duì)位置，不受停電、故障等因素的影響，具有更高的可靠性和精度。
4.2 傳感器檢測(cè)
4.2.1 超聲波傳感器
超聲波傳感器利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性，通過測(cè)量超聲波在閥門內(nèi)部的傳播時(shí)間來確定閥門的開度。這種傳感器具有非接觸式測(cè)量、響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但容易受到流體介質(zhì)的性質(zhì)、溫度、壓力等因素的影響。
4.2.2 紅外線傳感器
紅外線傳感器通過發(fā)射和接收紅外線信號(hào)，檢測(cè)閥門的開度。它具有檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但在使用過程中需要注意避免紅外線信號(hào)被遮擋。
4.3 開度反饋系統(tǒng)
閥門開度反饋系統(tǒng)的作用是將閥門的實(shí)際開度信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，以便控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)閥門開度進(jìn)行調(diào)整。開度反饋系統(tǒng)通常由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、通信接口等部分組成。傳感器將閥門開度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理，通信接口將處理后的信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)。在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，常用的通信接口有RS485、CAN總線、以太網(wǎng)等。
閥門開度在不同領(lǐng)域的應(yīng)用
①電力行業(yè)鍋爐給水系統(tǒng)
在火力發(fā)電的鍋爐給水系統(tǒng)中，給水泵出口的調(diào)節(jié)閥開度通常根據(jù)鍋爐的負(fù)荷來調(diào)整。一般在鍋爐啟動(dòng)初期，負(fù)荷較低，閥門開度可能在10%-30%左右，隨著鍋爐負(fù)荷的逐漸升高，閥門開度會(huì)逐漸增大，當(dāng)鍋爐達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，閥門開度可能在70%-100%。
這是為了精確控制給水量，確保鍋爐的水位穩(wěn)定，防止出現(xiàn)缺水或滿水事故，保障鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
例如，一臺(tái)600MW的燃煤發(fā)電機(jī)組，在機(jī)組啟動(dòng)階段，給水調(diào)節(jié)閥開度可能維持在15%-20%，以緩慢向鍋爐進(jìn)水，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升至50%時(shí)，閥門開度可能達(dá)到40%-50%，滿負(fù)荷時(shí)則接近90%-100%。
②蒸汽系統(tǒng)
主蒸汽管道上的閥門在正常運(yùn)行時(shí)通常保持全開狀態(tài)，即開度為100%，以減少蒸汽流動(dòng)的阻力，提高蒸汽輸送效率。而對(duì)于一些輔助蒸汽系統(tǒng)，如用于加熱或驅(qū)動(dòng)某些設(shè)備的蒸汽支管上的閥門，其開度會(huì)根據(jù)實(shí)際用汽量的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般在0%-80%之間變化。例如，在汽輪機(jī)的軸封蒸汽系統(tǒng)中，根據(jù)機(jī)組的啟停狀態(tài)和負(fù)荷變化，軸封蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度會(huì)在10%-60%范圍內(nèi)調(diào)整，以保證軸封處的蒸汽壓力和溫度滿足機(jī)組運(yùn)行要求，防止蒸汽泄漏或空氣進(jìn)入汽輪機(jī)。
③石油化工行業(yè)原油輸送管道
在原油長(zhǎng)距離輸送管道中，閥門開度主要根據(jù)管道的輸送流量和壓力來控制。一般來說，首站的輸油閥門開度會(huì)根據(jù)計(jì)劃輸油量進(jìn)行設(shè)定，通常在50%-100%之間。如果是多條管道并聯(lián)輸送，還需要根據(jù)各條管道的輸送能力和實(shí)際運(yùn)行情況，合理分配閥門開度，以確保整個(gè)輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
例如，一條管徑為1000mm的原油輸送管道，設(shè)計(jì)輸油量為5000噸/小時(shí)，當(dāng)實(shí)際輸油量為3000噸/小時(shí)時(shí)，閥門開度可能在60%-70%左右。在管道的中間泵站，閥門開度則主要用于調(diào)節(jié)管道的壓力，使其保持在安全范圍內(nèi)，開度范圍可能在30%-90%之間。
④化工生產(chǎn)裝置
在化工生產(chǎn)過程中，各種物料的流量和壓力對(duì)反應(yīng)過程至關(guān)重要，因此閥門開度的控制非常嚴(yán)格。以乙烯生產(chǎn)裝置為例，裂解爐進(jìn)料管道上的閥門開度需要根據(jù)裂解爐的溫度、壓力以及原料的性質(zhì)等因素進(jìn)行精確調(diào)整，一般在20%-80%之間。在后續(xù)的分離和精制工序中，如精餾塔的進(jìn)料和出料閥門，其開度要根據(jù)塔內(nèi)的液位、溫度和壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和收率。
例如，在丙烯精餾塔中，進(jìn)料閥門的開度可能在30%-70%之間變化，而出料閥門的開度則根據(jù)產(chǎn)品的采出量和質(zhì)量要求，在10%-90%范圍內(nèi)調(diào)整。
⑤給排水行業(yè)城市供水系統(tǒng)
在城市供水的管網(wǎng)中，主干管上的閥門通常保持較大的開度，以保證足夠的供水流量和壓力。一般來說，這些閥門的開度會(huì)在70%-100%之間，以確保城市供水的正常運(yùn)行。而在一些分支管道或小區(qū)供水管道上，閥門開度則會(huì)根據(jù)用戶的用水量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
例如，在居民小區(qū)的供水管道上，夜間用水量較少時(shí)，閥門開度可能會(huì)降低到30%-50%，以避免管道壓力過高造成能源浪費(fèi)和管道損壞；白天用水高峰期，閥門開度則會(huì)增大到60%-80%，以滿足居民的用水需求。
⑥污水處理廠
在污水處理廠中，進(jìn)水閥門的開度要根據(jù)污水的流量和水質(zhì)來調(diào)節(jié)。一般在污水廠的設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)，進(jìn)水閥門開度會(huì)在40%-100%之間變化。
例如，當(dāng)污水廠處理的是生活污水，且流量較小時(shí)，進(jìn)水閥門開度可能在40%-60%；當(dāng)處理工業(yè)廢水或污水流量較大時(shí)，閥門開度會(huì)相應(yīng)增大到70%-100%。在污水處理的各個(gè)工藝環(huán)節(jié)中，如曝氣池、沉淀池等的進(jìn)出水閥門，其開度也需要根據(jù)工藝要求進(jìn)行精確控制。例
如，曝氣池的進(jìn)水閥門開度可能在30%-70%之間，以控制污水在曝氣池內(nèi)的停留時(shí)間和曝氣效果；沉淀池的出水閥門開度則根據(jù)沉淀池的液位和水質(zhì)情況，在10%-90%范圍內(nèi)調(diào)整，以保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。
⑦冶金行業(yè)高爐煉鐵
在高爐的送風(fēng)系統(tǒng)中，熱風(fēng)爐的熱風(fēng)閥門開度對(duì)于高爐的爐溫控制至關(guān)重要。一般來說，在高爐正常生產(chǎn)時(shí)，熱風(fēng)閥門開度會(huì)根據(jù)高爐的爐況和生產(chǎn)要求進(jìn)行調(diào)整，通常在50%-100%之間。
例如，當(dāng)高爐爐溫偏低時(shí)，需要增加熱風(fēng)的供應(yīng)量，熱風(fēng)閥門開度會(huì)相應(yīng)增大；當(dāng)爐溫偏高時(shí)，則會(huì)適當(dāng)減小閥門開度。在高爐的爐頂煤氣放散系統(tǒng)中，煤氣放散閥門的開度要根據(jù)爐頂壓力進(jìn)行控制，一般在0%-80%之間變化。當(dāng)爐頂壓力過高時(shí)，放散閥門開度增大，將部分煤氣放散到大氣中，以降低爐頂壓力，保證高爐的安全運(yùn)行。
⑧煉鋼車間
在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，氧氣閥門的開度直接影響到煉鋼的效率和質(zhì)量。在吹煉初期，為了快速將鐵水升溫并去除雜質(zhì)，氧氣閥門開度較大，通常在70%-100%；隨著吹煉過程的進(jìn)行，根據(jù)鋼水的成分和溫度變化，逐漸調(diào)整氧氣閥門開度，一般在30%-80%之間。在連鑄車間，中間包的水口閥門開度對(duì)于鋼水的澆注速度和鑄坯的質(zhì)量有著重要影響。根據(jù)鑄坯的斷面尺寸、鋼種和拉速等參數(shù)，水口閥門開度會(huì)在10%-90%范圍內(nèi)進(jìn)行精確控制，以保證鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的穩(wěn)定凝固和鑄坯的質(zhì)量。
⑨制藥行業(yè)制藥工藝管道
在制藥生產(chǎn)過程中，各種物料的輸送和計(jì)量都需要精確控制，因此閥門開度的準(zhǔn)確性要求很高。
例如，在藥品合成車間，用于輸送原料和中間體的管道閥門開度通常在10%-80%之間，根據(jù)反應(yīng)的配方和工藝要求進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以確保原料的準(zhǔn)確投入和反應(yīng)的順利進(jìn)行。在藥品精制和純化過程中，如結(jié)晶器的進(jìn)料和出料閥門，其開度要根據(jù)結(jié)晶的速度、晶體的粒度分布等因素進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，一般在20%-70%之間。
⑩潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)
制藥廠的潔凈廠房需要嚴(yán)格控制溫度、濕度和空氣潔凈度，空調(diào)系統(tǒng)中的閥門開度起著關(guān)鍵作用。
例如，新風(fēng)閥門的開度根據(jù)室外空氣的質(zhì)量和室內(nèi)的空氣需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般在30%-70%之間。回風(fēng)閥門開度則根據(jù)室內(nèi)的溫濕度和空氣質(zhì)量情況進(jìn)行調(diào)整，通常在40%-80%之間，以保證室內(nèi)空氣的循環(huán)和品質(zhì)符合藥品生產(chǎn)的要求。同時(shí)，在空調(diào)系統(tǒng)的加濕和除濕環(huán)節(jié)中，相應(yīng)的蒸汽閥門或冷水閥門開度也會(huì)根據(jù)濕度控制要求在合適的范圍內(nèi)變化，一般在20%-90%之間。
閥門開度作為閥門控制的核心參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。深入了解閥門開度的基本概念、與流量的關(guān)系、控制方式、檢測(cè)與反饋方法以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率、降低能耗、保障生產(chǎn)安全具有重要意義。
延伸閱讀
◆儀表工該怎樣維護(hù)閥位開關(guān)
◆選擇閥位反饋開關(guān)的技巧和技術(shù)要點(diǎn)
◆引起電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)振蕩的五個(gè)原因及消除方法
