自力式調(diào)節(jié)閥的選擇及應(yīng)用

姜紀(jì)財(cái) JIANG Ji-cai

（杭州佳能閥門(mén)有限公司，富陽(yáng) 311400）

0 引言

自力式調(diào)節(jié)閥又稱(chēng)自力式控制閥，通過(guò)將管道閥體內(nèi)流體介質(zhì)的壓力、流量等屬性作為驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)力源，完成自動(dòng)控制閥門(mén)操作。自力式調(diào)節(jié)閥主要用來(lái)平衡穩(wěn)定閥體前后壓力、溫度、流量，相比于外接動(dòng)力電源的調(diào)節(jié)閥，重點(diǎn)是控制介質(zhì)穩(wěn)定平衡而不是調(diào)節(jié)。自力式調(diào)節(jié)閥由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)易，維護(hù)檢修作業(yè)量較少，尤其是不需要輔助外置電源的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油、供暖、供氣等沒(méi)有供電且又需要進(jìn)行控制的場(chǎng)所。

1 自力式調(diào)節(jié)閥分類(lèi)

自力式調(diào)節(jié)閥按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)分為活塞式和薄膜式；根據(jù)閥座的形式，可以劃分為三種類(lèi)型，即是單、雙、套筒式；根據(jù)控制參數(shù)分類(lèi)能將其分為四類(lèi)：一是控制管網(wǎng)中某分支流量；二是控制某部分壓差；三是控制接交換設(shè)備的出口溫度；四是控制供暖系統(tǒng)的溫度。按照作用方式可以分直接作用方式和間接作用方式，直接作用式調(diào)節(jié)閥通過(guò)彈簧彈力與反饋信號(hào)平衡的原理完成調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)；間接作用式調(diào)節(jié)閥則新增了一個(gè)先導(dǎo)閥裝置，該裝置通過(guò)將放大后的反饋信號(hào)作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主閥閥桿，由閥桿帶動(dòng)閥芯，從而達(dá)到調(diào)整閥門(mén)開(kāi)合程度的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平衡調(diào)整管道參數(shù)的作用；從用途分區(qū)進(jìn)行分析，自力式調(diào)節(jié)閥門(mén)又可以劃分為溫度、壓力與流量控制閥，壓力調(diào)節(jié)閥的反饋信號(hào)是調(diào)節(jié)閥的前端或后端壓力，當(dāng)壓力信號(hào)通過(guò)信號(hào)管傳入執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)操作。如果是流量調(diào)節(jié)閥，一般在閥門(mén)出口設(shè)置一個(gè)阻力裝置，通常阻力裝置為一個(gè)孔板，孔板兩端的壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)采集后傳入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，然后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成流量調(diào)節(jié)。溫度調(diào)節(jié)閥則是在閥門(mén)出口設(shè)置溫度傳感裝置或者溫包，通過(guò)溫度傳感器內(nèi)介質(zhì)熱脹冷縮的變化來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。具體分類(lèi)見(jiàn)表1。

表1 自力式調(diào)節(jié)閥分類(lèi)表

2 自力式調(diào)節(jié)閥工作原理及特點(diǎn)

2.1 自力式調(diào)節(jié)閥的工作原理

2.1.1 自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理

自力式壓力調(diào)節(jié)閥按照取壓點(diǎn)位置可分為閥前與閥后兩類(lèi)，結(jié)合生產(chǎn)需要，需要調(diào)節(jié)閥前壓力恒定的則將取壓點(diǎn)設(shè)置在閥前，設(shè)置在閥后的則是為了調(diào)節(jié)閥后壓力恒定。對(duì)于蒸汽等高溫介質(zhì)，為更好保護(hù)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的膜片，避免膜片因高溫受損，一般會(huì)采用冷凝器來(lái)降低介質(zhì)溫度，提高設(shè)備使用壽命。以閥后取壓點(diǎn)為例（見(jiàn)圖1），當(dāng)管道流體介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥閥座后，由設(shè)置在閥后的引壓管將閥后壓力傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的上腔室內(nèi)，閥后壓力作用于腔體內(nèi)的托盤(pán)上，與支撐托盤(pán)的彈簧形成作用力與反作用力，通過(guò)這兩組力的相互作用，實(shí)現(xiàn)閥后壓力的調(diào)節(jié)，即當(dāng)閥后壓力大于彈簧壓力時(shí)，彈簧會(huì)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)閥芯向閥座的位置，由于閥芯與閥座之間流通面積的減小，流體介質(zhì)經(jīng)過(guò)閥后壓力降低，又促使腔內(nèi)作用于托盤(pán)的壓力降低，彈簧反作用力加強(qiáng)，直至閥后壓力與彈簧反作用力達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，從而維持了閥后壓力的恒定。相反，當(dāng)閥后壓力減少時(shí)，彈簧的彈力會(huì)將閥芯與閥座之間的流通面積變大，進(jìn)而提高閥后壓力，進(jìn)一步提升腔內(nèi)壓力，抑制彈簧作用力增大，實(shí)現(xiàn)自力式壓力調(diào)節(jié)的功能。除了取壓點(diǎn)的不同外，取壓方式也分為閥門(mén)本體取壓和管道取壓兩種方式，具體方式選用要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定。

圖1 自力式壓力調(diào)節(jié)閥示意圖

2.1.2 自力式溫度調(diào)節(jié)閥的工作原理

自力式溫度調(diào)節(jié)閥的工作原理主要是利用溫包內(nèi)液體的熱脹冷縮原理來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的自我控制，當(dāng)流體介質(zhì)溫度升高時(shí)，溫包內(nèi)的工作液體體積將急速膨脹，進(jìn)而帶動(dòng)容器內(nèi)的壓力增大，壓力推動(dòng)波紋管向上移動(dòng)，波紋管推動(dòng)閥芯接近閥座，閥門(mén)關(guān)小迫使介質(zhì)溫度趨向預(yù)設(shè)值，閥芯維持一個(gè)新的平衡，閥芯移動(dòng)的比例大小與被測(cè)溫度有著密切的關(guān)系，這就產(chǎn)生了一定的比例調(diào)節(jié)特性。自力式調(diào)節(jié)閥還可以根據(jù)溫度升高后閥門(mén)的啟閉情況，分為溫度升高閥開(kāi)啟和溫度升高閥關(guān)閉兩種形式，前者為K 型，通常多用于溫度冷卻調(diào)節(jié)，后者為B 型，常用于溫度加熱調(diào)節(jié)。

2.1.3 自力式流量調(diào)節(jié)閥的工作原理

自力式流量調(diào)節(jié)閥又稱(chēng)恒流量調(diào)節(jié)閥或流量限制器，它具有調(diào)節(jié)流量恒定的功能，通過(guò)壓差控制裝置和流量調(diào)節(jié)裝置整合而成的調(diào)節(jié)閥。工作原理為：通過(guò)采取壓差控制裝置對(duì)前后調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，當(dāng)前后的壓力差超過(guò)恒流啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)以后，閥門(mén)通過(guò)的流量將不再隨閥門(mén)前后壓差而發(fā)生改變，在壓差控制器的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，閥門(mén)內(nèi)某一閥芯開(kāi)度的介質(zhì)流量將自動(dòng)保持恒定不變的狀態(tài)，而流量的變化通過(guò)調(diào)整閥芯的開(kāi)度即可完成，無(wú)需關(guān)注閥門(mén)前后的壓力大小。該類(lèi)型閥門(mén)常用于城市集中供暖以及中央空調(diào)的循環(huán)水系統(tǒng)中。

2.2 自力式調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)

自力式調(diào)節(jié)閥特點(diǎn)如下：一是設(shè)備價(jià)格低廉，運(yùn)行成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作安裝簡(jiǎn)便。設(shè)備驅(qū)動(dòng)不需要外部電源供給等輔助能源，僅依靠管道輸送的介質(zhì)的壓力、溫度、流量等屬性即可完成管道的控制調(diào)節(jié)，適應(yīng)范圍廣泛，若采用其他方式進(jìn)行管網(wǎng)調(diào)節(jié)，不僅需要電源或壓縮空氣作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，同時(shí)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，且給后期運(yùn)行帶來(lái)不便，維護(hù)成本也將大大增加，同時(shí)安全可靠性也無(wú)法保障。

二是自力式調(diào)節(jié)閥運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自力式調(diào)節(jié)閥通過(guò)各種控制要素如信號(hào)收集、擴(kuò)大、傳輸、控制、實(shí)施融為一體，通過(guò)利用流體力學(xué)和氣動(dòng)原理，利用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)裝置完成整個(gè)的閥門(mén)調(diào)節(jié)控制過(guò)程，并且穩(wěn)定可靠。以調(diào)節(jié)閥控制管道內(nèi)介質(zhì)溫度為例，自力式溫度調(diào)節(jié)閥直接把介質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再將機(jī)械能處理放大后作用在控制主閥上，跟先將熱能轉(zhuǎn)換成電能、再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能相比減少了能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，同時(shí)也省去了電控儀表裝置和二次能源的安裝。又如壓力控制，自力式壓力調(diào)節(jié)閥僅依靠壓力變化信號(hào)便能對(duì)壓力進(jìn)行控制，而其它方法則需通過(guò)多個(gè)形式能量轉(zhuǎn)換或多級(jí)操作才能實(shí)現(xiàn)控制要求。三是自力式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性好，閥門(mén)結(jié)構(gòu)中的信號(hào)感應(yīng)、傳動(dòng)部件與主閥相互獨(dú)立密封，不會(huì)像其他控制設(shè)備一樣出現(xiàn)因內(nèi)部零件磨損、偏移而出現(xiàn)的滴、冒、漏現(xiàn)象。

3 自力式調(diào)節(jié)閥選擇要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

3.1 自力式調(diào)節(jié)閥的選擇要點(diǎn)

在管道的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，自力式調(diào)節(jié)閥既是節(jié)流元件，同時(shí)還承受著管道介質(zhì)一定壓力與溫度的容器，因此在選擇自力式調(diào)節(jié)閥時(shí)不僅要考慮其是否工藝需求，還要保證其安全與穩(wěn)定性。

3.1.1 一般選擇原則

在進(jìn)行自力式調(diào)節(jié)閥選擇時(shí)，需結(jié)合輸送介質(zhì)的屬性特性、溫度、壓力及工藝要求的特點(diǎn)，按照以下原則：調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式需滿(mǎn)足介質(zhì)溫度、壓力、腐蝕性、流動(dòng)性、密封性以及控制范圍等要求；調(diào)節(jié)閥材料需滿(mǎn)足介質(zhì)溫度、壓力、腐蝕性要求；調(diào)節(jié)閥的額定流量系數(shù)與管徑需滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的流量需求；調(diào)節(jié)閥的允許壓差與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)壓差要相符；調(diào)節(jié)閥的現(xiàn)場(chǎng)使用條件要與計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)定一致。

3.1.2 自力式調(diào)節(jié)閥材料與工作溫度的選擇

在挑選調(diào)節(jié)閥時(shí)要考慮材料硬度、耐腐蝕、耐高溫及耐低溫的特性，在確保調(diào)節(jié)閥安全穩(wěn)定的前提下，進(jìn)一步考慮調(diào)節(jié)閥的產(chǎn)品性能、使用壽命及經(jīng)濟(jì)成本。在滿(mǎn)足需要的前提下，應(yīng)盡量選擇性?xún)r(jià)比高的材料。通常情況下，調(diào)節(jié)閥的閥體與閥蓋大多采用鑄鋼、不銹鋼等材質(zhì)，而閥內(nèi)組件通常采用耐腐蝕性能優(yōu)的不銹鋼材料制造。

3.1.3 自力式調(diào)節(jié)閥公稱(chēng)壓力及壓差的選擇

在調(diào)節(jié)閥公稱(chēng)壓力選擇時(shí)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求最大壓力進(jìn)行確定，同時(shí)對(duì)工藝的溫度條件進(jìn)行分析。通常情況下處于特定溫度環(huán)境下，公稱(chēng)壓力是依照強(qiáng)度條件來(lái)確定，如果工作溫度超過(guò)基準(zhǔn)溫度，允許的最大工作壓力必定低于調(diào)節(jié)閥公稱(chēng)壓力，因此在選擇調(diào)節(jié)閥公稱(chēng)壓力時(shí)，必須對(duì)照工藝溫度條件進(jìn)行綜合考慮。在選用調(diào)節(jié)閥時(shí)，除了考慮公稱(chēng)壓力以外，還要從執(zhí)行部件推力的角度，認(rèn)真分析調(diào)節(jié)閥是否可以正常工作，即最大工作壓差是否在調(diào)節(jié)閥的允許壓差范圍內(nèi)，否則調(diào)節(jié)閥將存在安全隱患。

3.1.4 自力式調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)

調(diào)節(jié)閥的一個(gè)重要參數(shù)叫做流量系數(shù)，又稱(chēng)流通能力，指的是流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥的能力，反映了調(diào)節(jié)閥的容量。通過(guò)流量系數(shù)來(lái)確定調(diào)節(jié)閥的額定流量系數(shù)，進(jìn)而確定調(diào)節(jié)閥的公稱(chēng)通徑。一旦選擇的調(diào)節(jié)閥額定流量系數(shù)過(guò)大，那么調(diào)節(jié)閥將長(zhǎng)期處于閥芯小開(kāi)度的工作狀態(tài)，會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制精度造成影響，導(dǎo)致閥門(mén)出現(xiàn)振蕩和噪音，影響到調(diào)節(jié)閥的使用壽命。同理，當(dāng)選擇的調(diào)節(jié)閥額定流量系數(shù)過(guò)小時(shí)，閥體開(kāi)度則會(huì)過(guò)大，調(diào)節(jié)閥超負(fù)荷的運(yùn)行不僅無(wú)法滿(mǎn)足工藝流量要求，還極有可能發(fā)生事故，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此在選擇調(diào)節(jié)閥時(shí)，需要準(zhǔn)確計(jì)算所需的流量系數(shù)值。

3.2 自力式調(diào)節(jié)閥選擇時(shí)的注意事項(xiàng)

自力式調(diào)節(jié)閥的選擇受實(shí)際工況條件與理論計(jì)算不一致影響，以及環(huán)境因素差異變動(dòng)的影響等客觀及不可預(yù)見(jiàn)因素的影響，往往造成理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際選擇的自力式調(diào)節(jié)閥無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，例如選擇的調(diào)節(jié)閥口徑與管道不一致、材料與公稱(chēng)壓力不相符等情況，不僅容易造成浪費(fèi)同時(shí)還非常容易引起安全事故。因此在自力式調(diào)節(jié)閥選擇時(shí)需重點(diǎn)注意以下事項(xiàng)：自力式調(diào)節(jié)閥多應(yīng)在被控參數(shù)恒定的工況場(chǎng)合，且設(shè)定的被控參數(shù)需在調(diào)節(jié)閥的調(diào)整范圍內(nèi)并有一定余量，而對(duì)于被控參數(shù)需經(jīng)常調(diào)整的場(chǎng)合，多應(yīng)用氣動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；自力式溫度調(diào)節(jié)閥不適用于溫度變化速度較大的場(chǎng)合，當(dāng)液體介質(zhì)溫度超過(guò)140℃時(shí)，自力式壓力調(diào)節(jié)閥采用倒裝，引壓管線(xiàn)需安裝隔離罐，以防調(diào)節(jié)閥膜片受高溫老化，安裝隔離罐時(shí)要求其位置需高于調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，低于閥前后的接管，當(dāng)液體介質(zhì)溫度超過(guò)200℃時(shí)，還需在控制閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間加裝散熱片；當(dāng)介質(zhì)為非潔凈流體時(shí)，需在閥前安裝過(guò)濾器防止雜質(zhì)或介質(zhì)堵塞閥門(mén)；低粘度液體或氣體通常自力式壓力調(diào)節(jié)閥通常直立安裝，高年度液體或蒸汽則采用倒立式安裝方式，蒸汽介質(zhì)的調(diào)節(jié)閥需安裝冷凝器，安裝位置應(yīng)低于閥前后接管高于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，冷凝器使用前應(yīng)裝滿(mǎn)冷水，并定期補(bǔ)充冷凝器水量。

4 自力式調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用

自力式調(diào)節(jié)閥在原油開(kāi)采與運(yùn)輸中應(yīng)用極為廣泛，由于油田多為野外作業(yè)，原油從油田被抽出后需要進(jìn)行集中處理，由于處理的原油分布廣且多為人煙稀少的荒野；在原油生產(chǎn)中，由于油氣水產(chǎn)量的波動(dòng)較大，人工調(diào)節(jié)又無(wú)法保證，這就需要通過(guò)自力式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動(dòng)控制。自力式調(diào)節(jié)閥可以有效解決油田站點(diǎn)分散，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，同時(shí)外置動(dòng)力源配置成本高，工程造價(jià)高的問(wèn)題。

另外在斜板除油器橇塊中也用到了自力式調(diào)節(jié)閥。通過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制罐體內(nèi)的進(jìn)出口壓力，在入口的減壓閥可以確保罐體入口壓力保持在一定的范圍內(nèi)，出口的泄壓閥又能保證罐體內(nèi)壓力不超過(guò)設(shè)定值，入口的減壓閥與出口的泄壓閥配合使用，能夠保證罐體內(nèi)壓力保持在一定范圍內(nèi)，從而使罐內(nèi)介質(zhì)保持基本穩(wěn)定狀態(tài)。

自力式調(diào)節(jié)閥在船舶主燃汽輪機(jī)供油系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用，當(dāng)船舶速度在發(fā)生驟然變化的過(guò)程中，燃機(jī)進(jìn)油口的壓力信號(hào)將作為調(diào)節(jié)閥開(kāi)度變化的重要參考量，從而確保燃機(jī)進(jìn)油口的穩(wěn)定壓力。燃機(jī)進(jìn)油口的壓力會(huì)隨著船舶速度的驟變而發(fā)生改變，安裝在管路旁通的燃油壓力調(diào)節(jié)閥便開(kāi)始對(duì)進(jìn)油口壓力進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)進(jìn)油口的壓力低于調(diào)節(jié)閥設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥會(huì)自動(dòng)提高燃機(jī)進(jìn)油口的壓力值。當(dāng)燃機(jī)進(jìn)油口的壓力高于調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥又可以降低燃機(jī)進(jìn)油口壓力。整個(gè)過(guò)程通過(guò)利用進(jìn)油口壓力與彈簧彈力的平衡，調(diào)整調(diào)節(jié)閥閥芯的位置來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)壓力平衡的穩(wěn)定，確保燃機(jī)進(jìn)油口壓力值在設(shè)定范圍內(nèi)。

在分戶(hù)計(jì)量供暖系統(tǒng)中，由于各分支用戶(hù)根據(jù)生活需要自主調(diào)節(jié)地暖水流量大小，為避免對(duì)其他用戶(hù)造成影響同時(shí)消缺外網(wǎng)富余的水流壓力，通常會(huì)在供暖回水段安裝自力式壓差控制閥，具體安裝位置見(jiàn)圖2，當(dāng)網(wǎng)路的供水、回水壓差P1-P3 增大，閥芯下移，使得P2-P3增大，保持P1-P2 恒定；相反，當(dāng)P1-P3 減小時(shí)，閥芯上移，P2-P3 減小，使P1-P2 保持不變。若P1-P3 不變，如圖2 所示，隨著某一支路閉合，則環(huán)路的總阻力增大，在這個(gè)瞬間，P2 減小，P1-P2 增大；隨著感壓膜平衡狀態(tài)消失，閥芯下移，壓差控制閥的阻力增大，從而使P2 又回升到原來(lái)的大小，即P1-P2 不變。綜上，不管是出現(xiàn)網(wǎng)路壓力波動(dòng)，還是分支管路的阻力變化，自力式壓差控制閥都能保持管路的壓差恒定，即供暖系統(tǒng)不會(huì)受到單獨(dú)個(gè)體的調(diào)節(jié)而影響到其他用戶(hù)的正常使用。

圖2 安裝示意圖

5 小結(jié)

自力式調(diào)節(jié)閥以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，無(wú)需外置電源等特點(diǎn)，在生產(chǎn)生活中得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)行自力式調(diào)節(jié)閥的合理選型，對(duì)于提高系統(tǒng)過(guò)程控制及產(chǎn)品質(zhì)量非常重要。隨著對(duì)自力式調(diào)節(jié)閥的研發(fā)與改進(jìn)的深入，其產(chǎn)品質(zhì)量及控制精度將會(huì)進(jìn)一步地提高，其控制效果和可靠性將進(jìn)一步優(yōu)化提升。在提升自力式調(diào)節(jié)閥的產(chǎn)品性能的同時(shí)，設(shè)備運(yùn)維管理部門(mén)也應(yīng)做好設(shè)備的日常監(jiān)測(cè)管理，做好密封圈、彈簧等易損件的檢查、更換，同時(shí)要做好維護(hù)人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)培訓(xùn)，掌握自力式調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以便能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)處理，從而保證自力式調(diào)節(jié)閥的正常運(yùn)行。