蒸汽系统中调节阀选型及应用


作者:肖朝明 日期:2017/10/25 来源:PHT《制药业》

本文作者来自于阿姆斯壮机械(中国)有限公司。

调节阀是世界上现代制造业里非常重要的流体控制元件——合理、正确的选型将为工业控制系统提高效率、保证生产安全、节约能源、提高经济效益。在生产现场,调节阀直接控制着工艺介质,有些介质成分比较复杂,尤其是高温、高压、易燃、易爆等特殊情况,若选择不当,往往给生产控制带来困难,以致调节质量下降,甚至造成严重的生产事故。在此仅以蒸汽系统上调节阀应用为例,来探讨调节阀的选型。下面根据自己的工作经验并结合相关资料,对蒸汽系统调节阀选型过程中应该注意的几个方面予以阐述。

选择合适的结构形式和材质

如何选择调节阀的型式

首先介绍一下调节阀的分类,调节阀也被称为调节阀。按驱动方式分可分为自力式和驱动式调节阀。按结构形式区分可以分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀。当然还有许多种别的分类方法。这些调节阀分别有各自的特点和适用场合。如调节阀前后压差较小,要求泄漏量较小,一般可选用单座阀;调节低压差、大流量的气体,可选用蝶阀;调节强腐蚀性流体,可选用隔膜阀;既要求调节又要求切断时,可选用偏心旋转阀;噪音较大时可选用套筒阀。这里由于我们只讨论蒸汽系统的调节阀选型。所以我们一般选用单阀座套筒型气动或者电动调节阀。

如何选择调节阀的材质

根据介质的工作压力、温度、腐蚀性、气蚀冲刷是否严重等选材。一般应选铸钢;使用要求不高时(120 ℃、1.6 MPa以下)也可选用铸铁;高温高压(22~32 MPa)场合应选用锻造合金钢;不锈钢可用于腐蚀性强的介质。

选择合适的流量特性

调节阀的流量特性是介质流过调节阀的相对流量与相对位移(调节阀的相对开度)间的关系,一般来说改变调节阀的阀芯与阀座的流通截面,便可控制流量。但实际上由于多种因素的影响,如在截流面积变化的同时,还发生阀前后压差的变化,而压差的变化又将引起流量的变化。在阀前后压差保持不变时,调节阀的流量特性称为理想流量特性;调节阀的流量特性有等百分比特性、线性特性、抛物线特性及快开特性四种。下表是这四种的理想流量特性的对照表。就调节性能上讲,以等百分比特性为最优,其调节稳定,调节性能好。我们可以根据实际使用场合的要求不同,挑选其中任何一种流量特性。但是,蒸汽系统中调节阀一般选择线性和等百分比流量特性。

选择合理的调节阀尺寸

当我们选定了调节阀的类型和特性之后,就可进一步决定它的尺寸。流通能力是确定调节阀口径的重要依据,从工艺提供数据到算出流通能力,直到阀的口径确定,需经以下几个步骤:

计算流量

根据现有的生产能力、设备负荷及介质状况来计算最大流量Qmax和最小流量Qmin。在计算Cv值时应按最大流量来考虑,但是最大流量考虑过多的余量时,使调节阀口径偏大;这不但造成经济上的浪费,而且更不利的是使调节阀经常工作在小开度,可调比减小,调节性能变坏,严重时甚至引起振荡,因而大大降低了阀的使用寿命。

在选择最大流量时,应根据对象负荷的变化及工艺设备的生产能力来合理确定。对于调节质量高的场合,更应以现有的工艺条件来选择最大流量,但也要注意不能片面强调调节质量,以致当负荷变化以及当现有生产设备经过技改或扩建,当生产能力稍有提高,调节阀就不能适应,即需更换。也就是说,应当兼顾当前与今后在一定的范围内扩大生产能力这两方面的因素,然后合理的确定最大计算流量。

阀前阀后压差

要使调节阀能起到调节作用,就必须在阀前后有一定的压差,阀上的压差占整个系统压差的比值越大,则调节流量特性的畸变就越小,调节性能就能得到保证,但是阀前后压差越大,即阀上的压力损失越大,所消耗的动力越多。因此必须兼顾调节性能和动力消耗,合理地计算压差。调节阀的前后压差ΔP主要是由其阀前压力P1减去阀后压力P2得到的。

这里必须注意,在确定计算压差时,要尽量避免气蚀和噪音。减小和防止气蚀,可以从以下几个方面考虑:

从压差来看,避免气蚀的最根本方法,是使调节阀的使用压差ΔP低于不产生气蚀的最大压差ΔPC。但要做到这一点比较困难。一般来说,当阀上压差ΔP<1.5MPa时,即使产生气蚀,但对材质的损坏并不严重,不需要采取什么措施。如果ΔP较高,就要设法解决气蚀问题。如:增长节流通道(把阀芯加长、阀座加厚);在阀座密封面上部增设阻力;减小压力恢复程度;削弱气蚀;也可在阀前、后加装限流孔板吸收一部分压降。

从材料来看,一般来说材料硬度越大强抗气蚀能力越强,由于气蚀往往发生在金属表面,可在阀芯、阀座、阀杆等处喷镀或堆焊一层硬质金属,这种方法叫表面硬化处理。采用的材料目前有司太莱合金、硬质工具钢、碳化钨等,其中以Stelite NO12应用最为广泛。经表面硬化处理后,以奥氏体不锈钢(SUS304、1Cr18Ni9Ti)为例,可提高耐气蚀10倍以上。

流通能力Cv值的计算:

流通能力Cv是选择调节阀的主要参数之一,饱和蒸汽的Cv值按下式计算:

⑴ 低于临界流速,当 ΔP<0.81(P1/2)

Cv=Qmax/2.1√(Δp(p1+p2))

⑵ 临界流速,当ΔP>=0.81(P1/2)

Cv=Qmax/1.633(P1)

目前调节阀生产厂家都提供计算Cv值的软件,这里我就不再详述具体计算过程。根据计算出的流通能力Cv值大小查调节阀厂家的对照表表,就可以确定调节阀的公称通径。

调节阀开度验算:

一般要求最大计算流量时的开度在85%左右,最小计算流量时的开度不小于10%。如果最大开度过大,调节阀会产生过大振动和噪音,调节精度不准确。最小开度,希望不小于10%,否则,阀芯阀座受流体冲蚀严重特性变坏,甚至失灵。

选择足够推力的执行机构

如何选择气动执行机构

一般应优先选用薄膜执行机构,当薄膜执行机构不能满足上述两项要求时,应选用活塞执行机构。调节口径大或压差高时,可选用活塞执行机构。有效面积越大,执行机构的位移和推力也越大,可按实际关断压力需求进行选择。

如何选择电动执行机构

选择一台合适的电动执行机构规格时必须考虑的主要因素就是力矩大小。大部分阀门厂商会将力矩参数提供给客户。这样就可以使用阀门厂商提供的配套数据表或选型软件进行选型。有时还需考虑阀门操作的速度和频率。部分小规格的直流电动执行机构可调节行程速度。电动执行机构选型还需要根据现场工况确定选择哪种控制种类。主要的有开关控制和连续控制两种,通常调节用途都需要连续控制类型。

选择合适的辅助装置

气动调节阀的辅助装置有:

阀门定位器:包括电气阀门定位器和气动阀门定位器,用于改善调节阀工作特性,实现正确定位。通常用于摩擦力大,需要精确定位的场合。

电磁阀:实现气路的自动切换。

手轮机构:系统故障时,可切换进行手动操作。

空气过滤减压阀:作为气源过滤、减压之用。

密封填料的选择

此外还需考虑调节阀的外泄问题,注意密封填料的选择。四氟填料,因为工作温度在 -40~235℃范围内。当温度变化较大时,其密封性能变会明显下降,老化快,寿命短,柔性石墨填料可克服这些缺点,使用寿命长。但石墨填料的回差大,最初使用时会产生爬行现象。对这方面必须有所考虑。

阀门噪声的预测

调节阀的生产厂家一般都有自己的噪声预测方法,通常都是按照IEC 60534-8标准为计算依据,选型时必须考虑到环境对噪声的限制,通常要求必须小于85 dB。

结束语

调节阀选型实际中还会面临许多其他问题。这里仅仅以蒸汽系统作为例子粗浅介绍了调节阀的基本选型步骤和方法。实践证明调节阀选型不仅仅是计算出Cv值后对照表格选择阀体口径这么简单,而是需要结合实际应用场合多方面考虑。

【参考文献】

1.房汝洲《实用阀门设计手册》中国知识出版社2006年4月出版

2.詹姆斯 W·哈奇森《调节阀手册》第二版化学工业出版社. 2005