蒸汽系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥選型及應(yīng)用

文/ 肖朝明

蒸汽系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥選型及應(yīng)用

文/ 肖朝明

調(diào)節(jié)閥是世界上現(xiàn)代制造業(yè)里非常重要的流體控制元件——合理、正確的選型將為工業(yè)控制系統(tǒng)提高效率、保證生產(chǎn)安全、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益。在生產(chǎn)現(xiàn)場，調(diào)節(jié)閥直接控制著工藝介質(zhì)，有些介質(zhì)成分比較復(fù)雜，尤其是高溫、高壓、易燃、易爆等特殊情況，若選擇不當(dāng)，往往給生產(chǎn)控制帶來困難，以致調(diào)節(jié)質(zhì)量下降，甚至造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。在此僅以蒸汽系統(tǒng)上調(diào)節(jié)閥應(yīng)用為例，來探討調(diào)節(jié)閥的選型。下面根據(jù)自己的工作經(jīng)驗并結(jié)合相關(guān)資料，對蒸汽系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥選型過程中應(yīng)該注意的幾個方面予以闡述。

選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)

如何選擇調(diào)節(jié)閥的型式

首先介紹一下調(diào)節(jié)閥的分類，調(diào)節(jié)閥也被稱為調(diào)節(jié)閥。按驅(qū)動方式分可分為自力式和驅(qū)動式調(diào)節(jié)閥。按結(jié)構(gòu)形式區(qū)分可以分為氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥、液動調(diào)節(jié)閥。當(dāng)然還有許多種別的分類方法。這些調(diào)節(jié)閥分別有各自的特點和適用場合。如調(diào)節(jié)閥前后壓差較小，要求泄漏量較小，一般可選用單座閥；調(diào)節(jié)低壓差、大流量的氣體，可選用蝶閥；調(diào)節(jié)強(qiáng)腐蝕性流體，可選用隔膜閥；既要求調(diào)節(jié)又要求切斷時，可選用偏心旋轉(zhuǎn)閥；噪音較大時可選用套筒閥。這里由于我們只討論蒸汽系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥選型。所以我們一般選用單閥座套筒型氣動或者電動調(diào)節(jié)閥。

如何選擇調(diào)節(jié)閥的材質(zhì)

根據(jù)介質(zhì)的工作壓力、溫度、腐蝕性、氣蝕沖刷是否嚴(yán)重等選材。一般應(yīng)選鑄鋼；使用要求不高時（120 ℃、1.6 MPa以下）也可選用鑄鐵；高溫高壓（22～32 MPa）場合應(yīng)選用鍛造合金鋼；不銹鋼可用于腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)。

選擇合適的流量特性

調(diào)節(jié)閥的流量特性是介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對位移（調(diào)節(jié)閥的相對開度）間的關(guān)系，一般來說改變調(diào)節(jié)閥的閥芯與閥座的流通截面，便可控制流量。但實際上由于多種因素的影響，如在截流面積變化的同時，還發(fā)生閥前后壓差的變化，而壓差的變化又將引起流量的變化。在閥前后壓差保持不變時，調(diào)節(jié)閥的流量特性稱為理想流量特性；調(diào)節(jié)閥的流量特性有等百分比特性、線性特性、拋物線特性及快開特性四種。下表是這四種的理想流量特性的對照表。就調(diào)節(jié)性能上講，以等百分比特性為最優(yōu)，其調(diào)節(jié)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)性能好。我們可以根據(jù)實際使用場合的要求不同，挑選其中任何一種流量特性。但是，蒸汽系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥一般選擇線性和等百分比流量特性。

選擇合理的調(diào)節(jié)閥尺寸

當(dāng)我們選定了調(diào)節(jié)閥的類型和特性之后，就可進(jìn)一步?jīng)Q定它的尺寸。流通能力是確定調(diào)節(jié)閥口徑的重要依據(jù)，從工藝提供數(shù)據(jù)到算出流通能力，直到閥的口徑確定，需經(jīng)以下幾個步驟：

計算流量

根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)能力、設(shè)備負(fù)荷及介質(zhì)狀況來計算最大流量Qmax和最小流量Qmin。在計算Cv

本文作者來自于阿姆斯壯機(jī)械(中國)有限公司值時應(yīng)按最大流量來考慮，但是最大流量考慮過多的余量時，使調(diào)節(jié)閥口徑偏大；這不但造成經(jīng)濟(jì)上的浪費，而且更不利的是使調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在小開度，可調(diào)比減小，調(diào)節(jié)性能變壞，嚴(yán)重時甚至引起振蕩，因而大大降低了閥的使用壽命。

表1 調(diào)節(jié)閥的四種理想流量特性

在選擇最大流量時，應(yīng)根據(jù)對象負(fù)荷的變化及工藝設(shè)備的生產(chǎn)能力來合理確定。對于調(diào)節(jié)質(zhì)量高的場合，更應(yīng)以現(xiàn)有的工藝條件來選擇最大流量，但也要注意不能片面強(qiáng)調(diào)調(diào)節(jié)質(zhì)量，以致當(dāng)負(fù)荷變化以及當(dāng)現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備經(jīng)過技改或擴(kuò)建，當(dāng)生產(chǎn)能力稍有提高，調(diào)節(jié)閥就不能適應(yīng)，即需更換。也就是說，應(yīng)當(dāng)兼顧當(dāng)前與今后在一定的范圍內(nèi)擴(kuò)大生產(chǎn)能力這兩方面的因素，然后合理的確定最大計算流量。

閥前閥后壓差

要使調(diào)節(jié)閥能起到調(diào)節(jié)作用，就必須在閥前后有一定的壓差，閥上的壓差占整個系統(tǒng)壓差的比值越大，則調(diào)節(jié)流量特性的畸變就越小，調(diào)節(jié)性能就能得到保證，但是閥前后壓差越大，即閥上的壓力損失越大，所消耗的動力越多。因此必須兼顧調(diào)節(jié)性能和動力消耗，合理地計算壓差。調(diào)節(jié)閥的前后壓差ΔP主要是由其閥前壓力P1減去閥后壓力P2得到的。

這里必須注意，在確定計算壓差時，要盡量避免氣蝕和噪音。減小和防止氣蝕，可以從以下幾個方面考慮：

從壓差來看，避免氣蝕的最根本方法，是使調(diào)節(jié)閥的使用壓差ΔP低于不產(chǎn)生氣蝕的最大壓差ΔPC。但要做到這一點比較困難。一般來說，當(dāng)閥上壓差ΔP＜1.5MPa時，即使產(chǎn)生氣蝕，但對材質(zhì)的損壞并不嚴(yán)重，不需要采取什么措施。如果ΔP較高，就要設(shè)法解決氣蝕問題。如：增長節(jié)流通道（把閥芯加長、閥座加厚）；在閥座密封面上部增設(shè)阻力；減小壓力恢復(fù)程度；削弱氣蝕；也可在閥前、后加裝限流孔板吸收一部分壓降。

從材料來看，一般來說材料硬度越大強(qiáng)抗氣蝕能力越強(qiáng)，由于氣蝕往往發(fā)生在金屬表面，可在閥芯、閥座、閥桿等處噴鍍或堆焊一層硬質(zhì)金屬，這種方法叫表面硬化處理。采用的材料目前有司太萊合金、硬質(zhì)工具鋼、碳化鎢等，其中以Stelite NO12應(yīng)用最為廣泛。經(jīng)表面硬化處理后，以奧氏體不銹鋼（SUS304、1Cr18Ni9Ti）為例，可提高耐氣蝕10倍以上。

流通能力Cv值的計算：

流通能力Cv是選擇調(diào)節(jié)閥的主要參數(shù)之一，飽和蒸汽的Cv值按下式計算:

⑴ 低于臨界流速，當(dāng)ΔP＜0.81（P1/2）

Cv=Qmax/2.1 √ (Δp(p1+p2))

⑵ 臨界流速，當(dāng)ΔP＞=0.81（P1/2）

Cv=Qmax/1.633(P1)

目前調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)廠家都提供計算Cv值的軟件，這里我就不再詳述具體計算過程。根據(jù)計算出的流通能力Cv值大小查調(diào)節(jié)閥廠家的對照表表，就可以確定調(diào)節(jié)閥的公稱通徑。

調(diào)節(jié)閥開度驗算：

一般要求最大計算流量時的開度在85%左右，最小計算流量時的開度不小于10%。如果最大開度過大，調(diào)節(jié)閥會產(chǎn)生過大振動和噪音，調(diào)節(jié)精度不準(zhǔn)確。最小開度，希望不小于10%，否則，閥芯閥座受流體沖蝕嚴(yán)重特性變壞，甚至失靈。

選擇足夠推力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

如何選擇氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

一般應(yīng)優(yōu)先選用薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能滿足上述兩項要求時，應(yīng)選用活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)口徑大或壓差高時，可選用活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。有效面積越大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移和推力也越大，可按實際關(guān)斷壓力需求進(jìn)行選擇。

如何選擇電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

選擇一臺合適的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)規(guī)格時必須考慮的主要因素就是力矩大小。大部分閥門廠商會將力矩參數(shù)提供給客戶。這樣就可以使用閥門廠商提供的配套數(shù)據(jù)表或選型軟件進(jìn)行選型。有時還需考慮閥門操作的速度和頻率。部分小規(guī)格的直流電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)行程速度。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型還需要根據(jù)現(xiàn)場工況確定選擇哪種控制種類。主要的有開關(guān)控制和連續(xù)控制兩種，通常調(diào)節(jié)用途都需要連續(xù)控制類型。

選擇合適的輔助裝置

氣動調(diào)節(jié)閥的輔助裝置有：

閥門定位器：包括電氣閥門定位器和氣動閥門定位器，用于改善調(diào)節(jié)閥工作特性，實現(xiàn)正確定位。通常用于摩擦力大，需要精確定位的場合。

電磁閥：實現(xiàn)氣路的自動切換。

手輪機(jī)構(gòu)：系統(tǒng)故障時，可切換進(jìn)行手動操作。

空氣過濾減壓閥：作為氣源過濾、減壓之用。

密封填料的選擇

此外還需考慮調(diào)節(jié)閥的外泄問題，注意密封填料的選擇。四氟填料，因為工作溫度在 -40～235℃范圍內(nèi)。當(dāng)溫度變化較大時，其密封性能變會明顯下降，老化快，壽命短，柔性石墨填料可克服這些缺點，使用壽命長。但石墨填料的回差大，最初使用時會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。對這方面必須有所考慮。

閥門噪聲的預(yù)測

調(diào)節(jié)閥的生產(chǎn)廠家一般都有自己的噪聲預(yù)測方法，通常都是按照IEC 60534-8標(biāo)準(zhǔn)為計算依據(jù)，選型時必須考慮到環(huán)境對噪聲的限制，通常要求必須小于85 dB。

結(jié)束語

調(diào)節(jié)閥選型實際中還會面臨許多其他問題。這里僅僅以蒸汽系統(tǒng)作為例子粗淺介紹了調(diào)節(jié)閥的基本選型步驟和方法。實踐證明調(diào)節(jié)閥選型不僅僅是計算出Cv值后對照表格選擇閥體口徑這么簡單，而是需要結(jié)合實際應(yīng)用場合多方面考慮。

1.房汝洲《實用閥門設(shè)計手冊》中國知識出版社2006年4月出版

2.詹姆斯 W·哈奇森《調(diào)節(jié)閥手冊》第二版化學(xué)工業(yè)出版社. 2005