略谈调节阀在自动调节系统中的选用

发布时间:2009-10-26  点击数:3321

国石化总公司工程部    梅成村
       
[摘要]本文系统地讲述调节阀流量特性,阀尺寸计算公式和校验、安装等方面的技术问题。同时也谈了作者多年来的实际经验和体会。
       
调节阀是自动调节系统中的一个重要组成部分。在自动调节过程中,许多连续生产过程的调节工作,最后都要归结在通过调节阀上的流量调节,也就是说,调节阀是执行调节指令最后完成调节任务的一道总机关。因此,调节阀工作的好坏,直接关系着整个调节系统工作的成败。但遗憾的是,调节阀在现场使用中往往被人们忽视,总觉得它是一个较简单的机械结构的东西,而不如一个仪表本体那样值得重视。笔者对此深有体会,我在长时间的现场工作实践中,可以毫不夸张地说,现场调节系统的问题,80%以上几乎是出在调节阀上,所以有人说,一个现场仪表自动化工作者,只有掌握了调节阀在调节系统中的作用知识和使用知识才算是掌握了一个调节系统的钥匙。可见,调节阀在调节系统中是非同小可的。
       
调节阀的构造、类型、式样很多,以及工作原理等,制造厂家有专门的研究。本文拟从现场实际使用的角度出发,结合调节系统的要求,仅就最常用的气动薄膜调节阀的流量特性、选择使用、安装检查等有关问题谈些浅见,以供参考。
一、调节阀的流量特性
       
研究调节阀流量特性的目的,在于掌握通过它的流量变化的规律,达到正确地选用调节阀,以期获得良好的调节效果。
       
调节阀的流量特性主要是指阀芯的位移行程变化所引起的被控制流量(被调节阀调节的介质流量)变化的关系。
       
根据调节阀的流量公式:

 
式中Q—流量,m³/s
     P1—阀前压力,kgf/cm²;
     P2—阀后压力,kgf/cm²;
     F—阀通道口随阀芯位移而变化的截面积m²;
     a流量系数
     g—重力加速度,m/s²;
     r—流体重度,kg/m³。
       
从公式可看出,除了重力加速度与流体重度通常可视为常数外,流量的变化与其它四个因素有关。其中特别是流量系数是一个复杂的变数,它决定于阀芯的结构和阀芯位移时所引起的通道口截面的变化形状与大小,流体的性质以及流速等。阀的截面大小决定于阀的口径、阀芯形状和位移距离。当阀的口径与结构已经选定后,流量的变化就决定于阀芯的位移行程和压力降两个因素。
       
为了说明调节阀的流量特性,首先必须弄清楚下列三个特性的含义:
      (一)结构特性或面积特性—阀芯行程与其对应的通道口的截面积的关系。对已定的阀芯其结构特性只决定于阀芯的几何形状及尺寸大小;一定的结构特性,又对应着一定的理想(流量)特性,因此,它是
调节阀流量特性的基础。
     
(二)理想(流量)特性—在阀上压力降不变的条件下(即理想条件下)阀芯行程与流过通道口的控制剂流量的关系。理想特性是指阀在试验中规定为1kgf/m²的阀上压力降用特殊装置测得的,其目的是在比较各种不同阀芯结构的阀。调节阀的理想特性取决于阀芯形状,不同的阀芯曲面可得到不同的理想特性,它是调节阀本身所固有的一种特性。但是应当注意,理想特性与该阀自身的结构特性一般是不一样的,例如直线结构特性的阀,其理想特性则是快开特性的,抛物线结构特性的阀,其理想特性则是直线特性的,等百分比结构特性的阀,其理想特性则近似抛物线的。
      
(三)工作(流量)特性—在实际使用条件下(即阀上压力降变化的条件下),阀芯行程与流过通道口的控制剂流量的关系。工作特性不仅和理想特性有关,而且和实际使用的外部条件—管道系统的阻力、阀芯位移时间上压力降变化诸因素有关。在这些因素的影响下,就使理想特性产生畸变而成工作特性。因此同一个调节阀在不同的使用条件下,具有不同的工作特性。这是我们在实际使用中最关心的一个问题。
       
调节阀的理想特性,典型的有直线特性、等百分比(对数)特性、快开特性和抛物线特性四种,其特性曲线如图1所示。


1  理想特性曲线
 1、快开特性  2、直线特性  3、抛物线特性  4、等百分比特性
二、通过调节阀的压力降
        调节阀之所以能够调节流量是基于流体通过阀上的压力降,阀上压力降越显著,阀调节流量的作用越灵敏。
        调节阀上的压力降是决定阀流量特性的一个重要因素,也是决定阀调节流量工作好坏的一个关键条件;调节阀能否正常地调节通过的流量,在很大程度上要取决于阀上压力降的分配情况。
       
对具有一定理想特性的阀只有在一定的压力降下才能保持其这种特性。但在安装调节阀的工艺管道系统中都存在着阻力,调节阀本身也有阻力,流体流过管道系统因克服阻力就有压力损失(压力降),其大小随通过管道的流量成平方关系的变化。因此当系统两端压差一定时,调节阀上的压力降就会随着流量的增加而减少。这个调节阀上的压力降的变化,就引起通过本身流量的变化,这时调节阀的流量特性就变成为工作特性。
       
压力降的分配比率—阀上压力降的多少与管道系统中压力降的多少之比,对流量特性的变化影响很大,如图2ab

 
数字K=1.0, 0.5, ……0.1等表示阀占的压力降。
这些曲线表征了阀在不同压力降下的工作特性。
2a所示,是对直线性理想特性的变形。当阀上压力降减小时,特性曲线向流量轴线方向弯曲发展;阀上压力降过小时,特性曲线变得类似盘形阀的流量特性(快开特性)。
2b所示,是对抛物线性理想特性的变形。当阀上压力降减小时,特性曲线趋向于直线方向的变化。因此,由图可推知,理想特性为对数线性的,在变形时则趋向于抛物线或直线特性。

  
           a
、直线性理想特性的变形上                                                            b抛物线性理想特性的变形
                          2  理想特性的变形
       
从图可以看出,当K=1.0时,即管道系统的所有压力都落在调节阀上时,实际工作特性与理想特性一致。随着K值的减小,不仅调节阀全开时的流量减小,可调流量范围因之降低,而且调节阀的流量特性曲线也发生畸变;K值越小时,流量特性变形越厉害,亦即偏离理想特性越远。结果使调节阀在小开度时放大系数大,造成调节不稳(波动);在大开度时放大系数小,造成调节迟钝(不灵);故在实际使用中,应尽可能使K值越大越好。
       
根据图示,抛物线性的阀压力降的最小值应该在K >0.7为好。对数线性的阀压力降允许K <0.7,一般可以K≥0.3。如能满足这样要求,则可认为工作特性接近于理想特性。
       
影响理想特性变化的主要因素有:
1)调节阀上压力降变化;
2)
调节阀上压力降与管道系统中压力降之比的变化;
3)系统中介质的物理条件变化。
       
调节阀上压力降的分配和工艺管道的条件有关。为了保证调节阀上压力降的要求,必须考虑工艺管道的布局和管件的选用情况、流束流速的快慢等条件。特别是当调节阀上压力降恶化的情况下,更应该仔细地考虑这些问题,为了保证调节质量,管道系统应该为调节阀取得优势的压力降创造条件。如流束流速设计适中(不过大),管道布局合理。
       
一般要求通过管道的流束流速最好是:m/s
液体1—2;低压气2—10;中压气10—20;低压蒸汽20—40;中压蒸汽40—60;高压蒸汽60—80;
流速越大,在管道系统中的压力降就增加,在调节阀上的压力降就相对地减小。
        根据实践,在安装有调节阀的管道系统中的压力降,一般不应大于总压力降(包括调节阀上的压力降)的50%。否则整个调节系统有被重新试虑的必要。在这种情况下,一般可用增大工艺管线的尺寸来降低流束流速,而达到减少管道系统中的压力降,以弥补调节阀上赢得压力降分率的需要。
       
必须指出,在动力源上的调节阀,其压力降是要消耗一定动力的。因此,考虑到节能的要求,合理地选用调节阀的压力降,应该是保证能通过最大工作流量及较满意的调节性能的前提下,尽可能减小调节阀的压力降以降低动力消耗。为此,对重要的调节系统,建议K≥0.5;比较重要的,K≥0.3;一般的不重要的,K≥0.15。
三、调节阀的选用
       
生产过程自动调节的质量,在很大程度上取决于阀的工作特性和阀的工作质量,因此,正确地选用调节阀是保证调节工作正常进行的重要条件。
       
下面是选用调节阀时应该注意的几个要点:
(一)阀的工作特性与阀的结构特性以及理想特性有关,而且更与流过阀的流体流束的条件有关,特别是和阀上压力降变化的情况最有关。
(二)阀上分配的压力降越大,阀的工作特性越接近理想特性,且阀对调节流量的作用也越灵敏;反之,阀上分配的压力降越小,阀的工作特性偏离理想特性越远,甚至阀将失去对流量的调节作用。(三)要正确地选择阀的特性,必须知道阀正常工作的条件和它将来的实际工作条件,并且还要善于估计使调节阀调节流量的作用发生急剧变化、甚至受到破坏的原因。
       
根据下列几点确定选用调节阀的流量特性
(一)控制对象的主要特性(滞后情况、容量情况等。如控制温度一般滞后较大,流量较小,液面、压力中等;温度的容量一般也较大,流量则很小,液面、压力一般不定)。
(二)负荷变化的原因及变化范围。
(三)调节方法以及所选用的调节仪表的特性(是两位式还是比例重定式或超越比例重定式)。
(四)调节参数的变化与控制剂流量变化之间的关系(如调节参数变化一个单位时需要控制剂量变化多少,是直线性关系还是抛物线性或对数线性关系)。
(五)仪表测量系统的特性(是直线性刻度还是非直线性刻度,如压力、液面一般均为直线性刻度,流量为平方根刻度),即调节器出风与调节参数变化之间的关系(如压力、液面、温度等调节参数变化引起调节器出风变化一般都是直线关系,温度也有非直线性关系,流量则是抛物线性的关系)。
(六)阀与管道系统间压力降的分配及理想特性可能的变化情况。
以上几点有些事先不可能完全掌握清楚,但必须做到基本的了解。
下面通过几个实例说明调节阀流量特性的选用:
       
例1  选择用于某分馏塔顶温度控制的装在回流管道上的调节阀。已知调节参数的变化与控制剂量的变化两者之间存在直线关系,仪表测量系统的特性(刻度)也是直线的;荷(回流量)变化的范围达±25%;调节阀上的压力降为率当负荷增加20%时为0.28。
       
已知调节系统均属直线特性,故阀的工作特性也应当是直线的。再考虑到阀上压力降分率为0.28,比0.7小很多,可以推知将来阀的理想特性会由于压力降变化引起严重偏离,因此,为了获得所需的直线工作特性,应当选择具有等百分比理想特性的阀才合适。阀的作用形式为风关式(正向)阀。
        例
2  选择用于某加热炉出口温度控制的装在燃料气管道上的调节阀。已知燃料气总压力为恒值;在正常负荷下阀上压力降的分率为0.8,当负荷变化不超出±10%,管道系统压力降变化很小;调节参数(温度)的变化与控制剂(燃料气)量的变化两者之间存在非直线关系(在高温时加热油品使之温度变化1℃需要的燃料比在低温时多);仪表电子电位计刻度是直线的。
       
根据已知,在这种情况下,负荷在±10%的范围内变化时,管道系统压力降变化很小,将不影响调节阀上压力降的分率,因此,可以认为阀将在不变的压力降下工作,阀的工作特性与理想特性相同。
       
由于控制对象具有近似抛物线的特性,因此应当选择具有等百分比理想特性的调节阀。阀的作用形式为风开式(反向)阀。
       
例3  选择用差压式流量调节器控制泵出口流量的装在泵蒸汽管道上的调节阀。已知负荷变化范围为±25%;阀上压力降分率为0.6;蒸汽用量与泵出口流量成比例(即调节参数的变化与控制剂蒸汽的用量之间是直线关系);仪表测量系统特性是抛物线的(即同样一个单位的流量变化,阀芯的位移行程,在高流量高刻度时大,而低流量低刻度时小)。
       
根据已知,控制对象的特性是直线的。仪表测量系统特性是抛物线的,因此,当同样的流量变化时,就需要阀芯在起点段(*行程的前半段)位移所引起的控制剂流量变化应该比在终点段(*行程的后半段)大一些才能符合要求。为此,应当选择具有类似快开特性的调节阀,再考虑到由于阀上压力降变化所引起的特性曲线变形,则最终应当选择直线理想特性的调节阀。阀的作用形式为风关式(正向)阀。
四、调节阀尺寸的计算
       
调节阀尺寸的计算(即确定阀芯在全开时流体通过的截面积)与调节阀的选用具有同等重要的意义。在调节过程中,不合适的尺寸会造成阀的控制和失调,而使调节质量变坏。
       
调节阀尺寸根据公式计算是不难的,但是要做到正确地取用数据和考虑条件还得依*一定的实践经验。
(一)调节阀的流通系数Cp的计算(公式略)
(二)调节阀尺寸计算中应注意的几个问题
1、对调节阀上的压力降数值只有根据实际的工艺条件计算求得,决不可人为地用设想的数据来代替,因为不实际的压力降会造成调节阀的尺寸选择不当,而使控制作用失灵。
2、如调节阀安装在一个总压力降不大的管道系统中,此时则可用总压力降作为计算阀的压力降。否则,如管道系统中压力降很大时,对调节阀上的压力降则应按实际的工艺条件去计算。
3、为了使阀的工作特性接近理想特性,调节阀上的压力降分率最好占系统总压力降50%以上。如条件限制不可能时,则应估计到阀的理想特性变形的情况和可能的后果。
4、为了保证调节阀的正常工作和减少无谓的能耗,在选择阀的尺寸时,应使阀能在中间范围偏上一些操作。为此,计算时必须注意核对所用的最大流量数值,防止过大的富裕量,否则将会使阀工作在小开度位置,影响调节质量和经济效果。根据求得的Cp、Cv值,检验所选的阀的预计开度,如满足
条件,说明所选的阀是可用的。否则应予核算和重选。
        
如果调节阀用于负荷(流量)变动范围较大的情况下,则应计算最大流量与最小流量时的两个流通系数,然后分别与所选的阀的额定流通系数Cv相比较,符合上述条件即认为合格。
       
在正常工况下,调节阀的正常操作范围,最好是
。如考虑到节能的需要,且负荷流量变动又较小时,也允许选择
调节阀在大开度(满负荷)范围操作,即

(Cp′—按正常负荷流量计算所得)

5、用
条件,检验阀的容量范围,一般Rc应小于10。当Rc大于10时,说明工艺给定的最大负荷流量和最小负荷流量的界限太宽,一个阀担负不了这样的两个负荷流量的操作。为此应考虑选用两个
调节阀进行分程控制,以便在最大Cp及最小Cp情况下都能正常控制流量。(Cp最大和Cp最小—分别按最大和最小负荷流量计算所得)
6、在任何情况下,所选择的调节阀尺寸都应小于管线尺寸。为此规定:调节阀的尺寸比管线尺寸系列至少应小1级,用公式表示即:

dv—调节阀直径
dp—管线直径
[dvnews_page]
       例如,管线直径dp=80mm,则阀的直径dv=56.7mm;即调节阀的最大尺寸根据系列只能用50mm。
如计算中发现调节阀尺寸较大时,则必须仔细地核对原始数据和计算方法是否有误,或者再核算工艺管线所取的流速是否超过所允许的范围。否则说明工艺管线选得不当—尺寸太小。
       
图3所示:表明调节阀尺寸与管线尺寸(过小)配置不当,对调节阀流量特性的影响,显然,管线尺寸太小,增大了对流束流速的阻力,使阀的流量特性变形和可调范围严重降低,调节阀就大大地失去了对流量的控制能力。如曲线(1)调节阀位移全行程,其流量变化只有40%。

                                       流量

 图3 直径Ф25mm的等百分比特性的阀分别安装在长10n的Ф25mm和Ф40mm的管线上对流量特性的影响五、调节阀的检查校验
       
调节阀的工作质量,在很大程度上与它的执行机构(驱动单元)及阀芯(调节单元)的加工质量和装配质量有关。虽然阀芯有各种特性,但如果执行机构有问题,阀芯就不能发挥其应有的特性。而执行机械的好坏又决定于膜片、弹簧、填料箱的质量以及各部的装配情况。因此对调节阀的检查校验工作必须予以足够重视。
       
调节阀的膜片最好采用波纹膜片,这种膜片在全行程动作中其有效面积不变,这样可以使变差减到最小,保持其良好的工作线性。膜片一般越薄越好,以便发挥其特性。通常最薄是2mm,但考虑到强度的需要,大阀有时可用到4—5mm厚的膜片。膜片的材料多为氯丁橡胶,内衬尼龙纤维或棉质纤维。膜片的材质检查—橡胶与夹层应结合紧密,不得有浮泡松脱或凹凸硬块,即可使用。
      
弹簧上下平面一定要平行,圈距要均称,但有足够的压缩距离和适度的弹力,否则就要影响执行机构的性能。
       
执行机构的膜头尺寸是根据阀的尺寸和允许的操作压力降由制造厂家选定的,在现场使用中应注意不要随意更换或弄错,除膜片外,一般它是不易损坏的,故不需要常拆卸修理。
     
填料箱起着密封和润滑的重要作用,因此应经常保持填料箱的清洁和完整无损,特别是在加注填料时应防止泥沙铁屑等杂物渗入。填料不宜挤压过紧,压盖一般用手拧紧即可,通常也允许从填料处阀杆周围渗漏一点,以保持阀杆移动时的润滑灵活。填料材质的选用,温度在200℃以下者,用聚四氟乙烯填料,使用周期一般可保持一年;温度在200℃以上者,可用浸耐热润滑脂的石墨石棉填料。
      
在填料箱上有的还没有油枪装置,以便定期向填料箱中注入润滑脂。这种填料箱内还带有一个加油环,故使用时应注意在加油环的底部也要旋转足够的填料层,否则注入的润滑脂会从加油环的底部随介质而冲失。油枪中所用的润滑脂可根据介质特性和使用温度来选定。
      
阀芯的几何形状是决定调节阀流量特性的基础,因此必须严格加以保护,勿受损伤。阀杆要圆而光洁,制作时加工精度要求为1μ(1/1000mm),有如镜面,通常用不锈钢作成。
六、调节阀的安装和使用
     
正确安装和使用调节阀是保证调节阀正常工作的最终一个环节。为此,本节列出如下要点。
(一)调节阀的安装
1、安装地点应选择在便于维修和使用操作的地方。
2、为了减少滞后的影响,调节阀应尽可能安装在*近控制对象的地方。
3、从调节器至调节阀的风线距离一般不应大于60m。如因条件限制超过此规定时,则可加装1:1继动器,这时风线距离可延长到100m。
4、为了保证调节阀上压力降的分率,减少减束涡流的影响,安装调节阀进出口处应采用特制的锥形大小头(渐缩管)连接;两边的切断阀和副线阀,当管线直径不大于Dg50时,应选用与管线直径相同的调节阀;管线直径大于Dg50时,可按规定选用较管线系列小一级的调节阀。阀的类型:切断阀用闸门阀;付线阀一般用球芯阀,大于Dg100的亦可用闸门阀。
 
用于非连续生产过程以及带手轮的调节阀,根据情况可以不装副线阀及切断阀。
5、注意阀的流向,对安装标有流向的调节阀,流体进出口方向应保证与阀上的箭头一致。通常也可根据阀的结构类型来辨认;一般单芯直通阀和角阀是底进侧出;双芯直通阀是中间进上下出。
6、为了检查调节阀工作方便起见,推荐在鼓膜头上安装一只0-1.6kgf/cm²的小风表。
7、为了研究和测试调节阀上压力降的需要,必要时在阀的进出口处可安装特制的测压接头,以便测试调节阀前后的压力。
8、对安装在蒸汽管线上控制蒸汽往复泵和蒸汽透平离心泵的调节(包括该管线),应有良好的保温绝热层,防止蒸汽冷凝;安装时更应注意避免凝汽积水的死角存在。
9、在水平管线上,调节阀一般最好采取直立式(垂直地面)安装。在不得已的情况下,亦可采取倒立式或水平式(平行地面)安装。
10、调节阀的接管形式及安装位置,应尽可能做到使其流束扰动小和选取在沉降物不易积存的地方,如图4:



                        图4  
调节阀的安装形式

(二)调节阀的使用
1调节阀的可调范围直接关系到一个调节系统的调节品质问题,理解它的道理,会有助于对调节系统的正确操作与管理。
    
调节阀的可调范围系指调节阀在运行过程中所能控制的最大流量和最小流量的比值,即:

可调范围又分为理想可调范围和实际可调范围。当调节阀上压力降一定时,这时的可调范围称为理想可调范围。理想可调范围是由阀芯的结构所决定的,其比值越大越好,但由于受结构设计的限制,一般均小于501。在实际运行中,调节阀上压力降随着管道系统阻力改变时或打开副线(调节阀旁路)时,使调节阀的可调范围也发生相应的变化,这时调节阀实际所能控制的最大流量和最小流量的比值,称为实际可调范围。
2、管道系统阻力的增大,调节阀上压力降分率就相应地减小,这样就使调节阀所能通过的最大流量减少,结果调节阀的实际可调范围也就降低,如图5
流量%
                        5管道系统压力降变化对流量特性的影响

为了保证调节阀上压力降较大分率,得到较有效的可调范围,在调节阀同一管路上的所有其它调节阀应尽可能完全开大,一般开度至少开启2/3以上。因此,在使用或分析处理故障过程中,应经常注意检查系统中各调节阀的开启情况和流量不足的原因。必须指出,那种想用关小某一手阀的办法,来达到补求调节阀尺寸过大的操作是更不允许的。
3、在任何情况下,都不能打开阀的副线操作,否则一开副线操作,副线流量往往比阀的最小流量大得多,这样通过阀的有效最大流量就大大减少,结果也就严重地降低了阀的实际可调范围,如图6,同时还影响调节阀流量特性。

6 副线流量对流量特性的影响
4、正确选择调节阀的尺寸及阀芯形式(特性),是使用过程中反响在调节质量上的一个很重要的问题。阀的尺寸过大,会使阀处于小开度—下限段工作,此处流量特性很不规则,稳定性差,容易产生过调;阀的尺寸过小,会使阀处于*近全开度—上限段工作,当参数变化时,没有调节余量,甚至不能满足调节系统平衡的需要,容易产生失调。因此正常操作时,调节阀的最小及最大开度,一般选取在30~80%范围之内,即在调节器输出压力0.35~0.85kgf/cm²范围内工作,(注意:调节阀的开度最小不应小于1/3
5、为了有利于检查分析调节品质和故障情况,对于已调校好的调节阀,在实际使用中,不允许随意升降阀杆或改变行程或调整弹簧;更不允许借此作为处理调节品质故障的手段。
6、为了保证调节阀的正常工作(阀芯在一定的操作信号压力下保持稳定正确的相应行程位置),在使用中,应注意阀进出口压差所造成不平衡力的方向和大小的影响(亦即要注意阀进出口流向)。为此,对单芯阀和三通调节阀一般都采用使阀趋于打开的流向(即“流开”),以避免不平衡力引起阀芯跳动(不稳定)的影响。有特殊要求的亦可采用使阀趋于关闭的流向(即“流关”);对角型阀按具体要求可采用“侧进底出”(流关式)或“底进侧出”(流开式)的流向;自清扫的角型阀一般流向为“侧进底出”但是必须注意,对使用注射为“侧进底出”(流关式)的大口径角形调节阀,其最小开度不应小于20%,否则开度过小时,由于不平衡力的影响,阀芯跳动将严重撞击阀座。
7、使用三通调节阀时应注意:对合流式三通调节阀,流进调节阀的两路流束温度差,不能大于200℃。否则会由于温差过大引起阀体部件变形,造成阀芯卡滞而动作不灵。对采用合流式三通调节阀去代用小于·Dg80的分流式三通调节阀时,应注意阀芯承受的不平衡力的影响,此时,阀的正常开度一般应在30~70%范围内。
8调节阀必须定期清扫,保持清洁,特别是阀杆活动部位;填料不宜挤压过紧,填料箱内应定期注入油脂,保持良好的润滑。在运行中应经常注意检查阀的工作情况和工作位置(根据调节器的输出风压和阀的行程指标判断)。如有异常,则说明系统条件有变,阀的尺寸可能不合适或者是检修校以或风路有问题。
参考文献
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[2]Industrial instruments for measurement and Control Thomas G.Rhodes
[3]The instrument manual(fifth edition)
[4]Instrument engineer"s hand book 1969
[5]余善富编气动执行器
[6]刘衍烈译石油加工过程的自动控制