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控制阀选型计算中的允许压差

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 1 概述

控制阀是组成工业自动化控制系统中的一个重要环节,它被称之为生产过程自动化的“手足”,正确选择控制阀是确保系统稳定、正常运行的关键。控制阀选型内容通常包括以下几个方面:

①     控制阀结构形式选择

控制阀有单座阀、双座阀、套筒阀、角形阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀、偏心旋转阀等类产品,用户应根据被调介质的特性和工艺条件选择控制阀的结构形式。

②     控制阀流量特性选择

控制阀流量特性是指相对行程与相对流量的关系,通常有直线特性、等百分比特性、快开特性,需根据工艺对象的特点选择。

③     控制阀口径计算

根据工艺过程条件计算出控制阀的流量系数C,然后根据对应结构形式控制阀的流量系数C值表选择口径。

④ 控制阀执行机构有气动、液动、电动三种

气动执行机构可用于防火防爆场合,故障率低,但需建独立的仪表气源;液动执行机构可用于推力或力矩特别大的地方,运行平稳,但体积大,价格昂贵,用量很少;电动执行机构的驱动源随地可取,隔爆型产品可用于防火防爆场合,其可靠性近年来大幅度提高,目前已成为执行机构的主流产品。

⑤ 控制阀材质选择

主要根据阀门受控介质的温度、压力、腐蚀性以及是否产生气蚀、冲蚀等因素选择材质,这包括阀体、阀盖、阀芯、阀杆、阀座、垫片、密封填料等材质的选择。

⑥ 控制阀不平衡力校核

不平衡力校核是保证控制阀正常工作不可缺少的一步。其实质是校核执行机构的输出力是否大于介质的不平衡力、阀门动作时的摩擦力、阀芯的重力等力的总和(校核时输出力还要有一定的余量)。

为了简化计算。阀门生产厂根据工作条件对常用阀门计算出允许压差,列成表格附在选型样本上,这样不平衡力校核就转换成允许压差校核。

校核有两种方式:

一是根据所选执行机构的输出力看允许压差值是否合乎要求,

二是根据允许压差值选定合适输出力的执行机构。

当校核未能通过时,可能要从阀门结构形式选择开始重新选型。

在一些控制阀的选型计算资料中往往着重介绍口径计算等内容,对不平衡力校核则只字不提,因此有些设计人员常常只进行前五项工作而忽略了后一项工作,在大多数流体压力不高的情况下,不作该项校核也不影响控制阀的正常工作。但对中高压生产过程来说,不作校核就可能造成阀门关不死,从而影响阀门的运行。更为严重的是,由于头脑中没有允许压差这个概念,当这个问题出现时人们往往弄不清楚原因,就把责任推到控制阀制造厂,认为是产品的质量问题,导致故障长期得不到解决。

专家对控制阀使用中存在问题的问卷调查结果表明:反映泄漏量大的占第二位,为42.5%;反映推力不够、阀关不严的占9.6%。虽然明确指出推力不够、阀关不严的只占9.6%,但实际上反映泄漏量大的42.5%。用户中应该有相当一部分也是推力不够造成的,只是用户还未找到泄漏原因而已,所以推力不够、阀关不严的问题的确是一个较为常见的问题。

本文将首先介绍了控制阀允许压差的概念,然后就控制阀允许压差选取应注意的问题进行讨论。

2 控制阀允许压差值

以武汉欣裕瑞控制阀公司“电子式电动调节阀”选型样本中的数据为例,

阀门的允许压差除了与阀门的结构形式有关以外,还与口径、执行机构的推力等因素有关。口径越大,允许压差越小。执行机构的推力越大,允许压差越大(两者几乎成正比),当超出一定范围后,可能无法配用更大推力的执行机构,这时应选用允许压差更大的阀门结构形式。

控制阀的允许压差低,不进行控制阀不平衡力校核,通常不一定能满足中高压生产过程的要求。特别是当用户未提允许压差要求时,阀门生产厂可能按zui小推力的执行机构供货,这样的事例在现场多次出现过。但是控制阀的结构简单、泄漏量小、价格低,如果稍加大推力即可满足要求,就不一定非要选择结构复杂的阀门。国内一般工厂的样本不提供所配执行机构推力的选择或选择余地很小,造成用户一种错觉,以为阀门的结构形式、口径确定以后,允许压差也就确定了而无法改变。武汉欣裕瑞控制阀公司对同一口径的阀门通常可提供3~5种推力的选择的做法就纠正了这一错觉,希望国内其他厂也能做到这一点,也希望用户能注意到这一点。

3 允许压差如何选取

用户在订购控制阀的订货数据表或计算书上,均应将zui大工作压差作为zui重要的基本数据之一列出,不列出此项相当于订货数据不全,这可能导致阀门达不到允许压差要求而关闭不严、执行机构推力选择过大或阀门结构形式选择不当等阀门选型错误。

按作者在设计选型计算和实际现场应用中的体会,允许压差选取时应注意以下几个问题:

对简单的降压控制系统,允许压差等于要求的减压值。

阀门正常工作时阀前的压力通常不能作为允许压差的计算根据。正常工作时阀的的压力并不大,但随阀门逐渐关小,阀前压力逐渐加大,阀前后压差也逐渐加大。

阀门正常工作时阀后的压力通常也不能作为允许压差的计算根据。如果阀后只有连通大的管道而无阻力件,计算允许压差时可视阀后压力为零。但如果阀后连接有压力容器及各种阻力件,阀门正常工作时阀后的压力大体等于这些压力容器在正常工作时的压力值或在这些阻力件前要求的压力(如燃烧喷嘴前要求压力 0.1MPa)。

以阀门正常工作时阀前后的压力计算出来的压差作为允许压差往往偏小,原因可能有以下几点:

在不正常工作时阀门的开度可能很小,使阀前压力大大升高,而zui大工作压差的含义是指阀门即将关闭时可能出现的差压值,而在这种情况下,流体输送设备(如水泵、风机、空压机)的出口将达到设备运行的zui高压力,其数值等于流体输送设备的额定出口压力。

在不正常工作时阀门后的压力容器的压力可能低于压力容器在正常工作时的压力值。

正是这两个因素使得不正常工作时阀前后的压差远远大于正常工作时阀前后的压差,使得在正常工作时不泄漏的阀门在不正常工作时产生泄漏。以工业锅炉给水系统为例,35t/h的锅炉给水泵额定压力通常为6.0MPa,汽泡压力为3.8MPa,阀前压力正常时为4.0MPa,阀门正常工作时阀前后的压差约为 0.2MPa,如果拿这个值作为允许压差,几乎任何一台阀门能满足要求。但当用汽量突然减少时,阀门开度也将减少,阀前压力逐渐增大,直至达到给水泵额定压力为止。此时阀前后的压差为2.2MPa,一般控制阀在这种压差下很难保证不泄漏。而且锅炉汽泡压力很可能根据需要定为3.0MPa、2.5MPa,此时阀前后的压差分别为3.0MPa、3.5MPa,比前述阀前后的压差要大得多。而作者在现场时还有过一次奇特的经历,允许压差值按3.0MPa考虑的阀门在锅炉冷试开度还较大时就关不上了,后分析原因才知道了冷试时汽包压力为零,而且冷试时用水量很少,要求阀门开度很小,此时阀前压力可能达到6MPa, 阀后压力为零,阀前后压差远远超过允许压差,所以阀门开度还较大时就关不上了。在现场只好开通旁路,待设备转入正常工作时再启动控制阀工作。所以,在确定允许压差时,这样一些因素也需要考虑。

有些阀门只是作为遥控阀门,其中有一部分还是工艺专业所选阀门,只不过为了实现遥控配上了仪表专业所选的执行机构,所以有些人习惯不作阀门的选型计算,但现场运行结果表明在某些情况下不作选型计算是错误的。尽管选型计算的某些步骤可以简化,如涉及控制性能的流量系数计算、流量特性选择可以省略,但不平衡力校核等步骤还是*的。

 

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