浅析喷水减温调节阀的研究与试验

    喷水减温调节阀安装在锅炉减温系统中，通过改变节流部位面积调节喷水量，控制蒸汽温度，保证锅炉正常运行。为进一步了解调节阀的性能，我公司借鉴国外的先进经验，建立试验台，对调节阀的流量特性、流通能力、临界压差和流量系数等主要性能指标进行精确的试验，为调节阀设计提供了重要依据。
一、试验样机及试验方法
    试验样机为DN32；PN25和DN20；PN25两种喷水减温调节阀。DN32；PN25喷水调节阀为闸板式，调节特性是直线。DN20；PN25喷水调节阀为柱塞式，调节特性是抛物线。
    按照美国ASME、英国BS4740、国际电工协会IEC的试验要求与方法进行试验。采用两种调节阀对比试验的方法。试验过程中各项数据测量三次，取其平均值作为计算依据。试验介质为5~40℃的净化水。
二、试验项目、结果与分析
    1、试验项目
    进行流量特性、流通能力、临界压差和流量系数试验。
    2、试验结果
    A、对于DN32；PN25闸板式调节阀，其流量特性数据见表1，并根据表1的试验数据绘成流量特性曲线图，见图1。

表1 压差ΔP=0.3MPa时，阀门流量特性表

序号	阀门行程/mm	相对行程/%	流量/t·h-1	相对流量/%
1	2.25	8.7	0.425	10.6
2	6.4	24.8	1.165	21.8
3	10.44	40.2	1.94	32.5
4	14.36	55.5	2.52	46.7
5	18.36	70.9	3.4	57.8
6	22.42	86.6	4.17	74
7	25.9	100	4.83	100

表2 调整后的调节阀工作特性

序号	1	2	3	4	5	6	7
相对行程/%	8.7	24.8	40.2	55.5	70.9	86.6	100
Q1/Qmax(S=0.5)	10.58	21.6	29.6	39	44.8	57.5	51
Q1/Qmax(S=0.2)	10.57	19.6	26.2	32.6	34.8	38.2	40.5

    DN32；PN25闸板式调节阀的流量特性曲线是在理想状态下试验得出的，即系统阻力与阀门相比，仅占很小比例。但在实际运行中，尤其在锅炉启动过程中，在整个系统的压力降是一定值时，系统阻力很大，将会引起调节特性曲线变形，使管系的工作特性失真。所以，我们按下式对特性数据进行调整。
         （1）
    —实际相对流量； —理论相对流量；S—阀门阻力与系统阻力比值。
 
    上述数据和图1说明，对于直线特性喷水调节阀，当阀门阻力和系统阻力之比S=0.2，阀门开度为60%时，流量相当于阀门全开流量的33.2%，而在以后60%~100%开度中，流量变化不大。当阀门和系统阻力之比S=0.5，阀门开度为70%时，流量相当于全开流量的41%，在以后30%的阀门开度中，流量增加很少，这样的调节特性完全不符合锅炉自动控制的要求。调节阀的最佳调节范围应在90%~5%之间，所以，用在锅炉过热器和再热器上的喷水调节阀不宜选直线特性。
    B、为了得到能够满足锅炉系统工作特性要求的喷水调节阀，我们按上述试验方法，对DN20；PN25柱塞式喷水减温调节阀进行了测试，测试结果见表3。
    考虑到实际系统阻力对阀门的影响，按照公式（1）进行修正。当阀门阻力仅为系统的50%或20%时，工作特性的修正数据见表4，其特性曲线见图四。

表3 柱塞式调节阀流量特性（ΔP=0.3MPa）

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
行程	0	2.2	4.22	6.38	7.58	10.78	15.18	17.38	19.58	26.78
相对行程	0	8.2	15.65	23.7	32	43	48.5	56.6	65	73.2	100
阀门流量	0.092	0.12	0.188	0.365	0.648	0.93	1.3	1.7	2.04	2.54	2.9
相对流量	3.17	4.15	6.5	12.7	22.3	32.4	41.5	58.6	70.4	87.6	100

表4 柱塞式调节阀流量特性（ΔP=0.3MPa）

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
相对行程	0	8.2	15.65	23.7	32	43	48.5	56.6	65	73.2	100
相对流量 （S=0.5）	3.14	4.13	6.36	12.4	21.4	29.4	31.8	45.4	49.2	56.9	57
相对流量 （S=0.2）	3.16	4.14	6.43	12.9	19.6	26.2	31.7	35.7	37.7	40.1	40.7

    通过试验证明，抛物线特性喷水调节阀比直线特性喷水调节阀的流量特性好。因此，在锅炉喷水减温管路中，阀门采用抛物线或者等百分化特性比较合适。

    C、流通能力
    流通能力是阀门处于全开状态，阀门两端压差为0.1MPa，温度为20℃的水1h流过阀门的立方米数。调节阀的流通能力反映了流体通过阀门的能力，是选择调节阀的重要依据。
表5 闸板式调节阀测试结果（ΔP=0.1MPa）

测量次数	1	2	3	三次平均值/Kv
阀门流量/t·h-1	2.67	2.665	2.664	2.666

表6 柱塞式调节阀测试结果（ΔP=0.3MPa）

测量次数	1	2	3	三次平均均值/Kv
阀门流量/t·h-1	2.96	2.9	2.93	2.93

    根据调节阀流通能力的定义，表6的测试结果按下式进行计算，求出实际的流通能力数值。
   
    阀门原调计的流通能力按下式计算：
    K_V=5.04μF （2）
    式中：K_V—设计流通能力；
    μ—流量系数；
    f—阀让流通面积，cm²。
    闸板式调节阀设计流通能力K_V=1.94；柱塞式调节阀的设计流通能力K_V=1.53。经过实际测试，这两种不同结构调节阀的流通能力均比设计值大。
    D、临界压养
    当节流件两端压差达到某一值后，压差再增加，流量也不再增加，此时压差称为临界压差。为了探讨液体的临界压差，做如下试验。将调节阀调到某一开度，始终保持阀前压力为0.4MPa，而不断减少阀后压力，测量通过阀门的流量。测试结果见表7。从表7中可以看出，当阀门压差超过0.325MPa后，随着压差的增加，流量增加甚少，已不能满足的流量和压差数学关系式。这说明，在节流处产生了闪蒸现象，破坏了压差和流量之间的函数关系，出现了临界压力。

表7 100%开度时的测试数据

序号	1	2	3	4	5	6	7	8
阀前压力/MPa	0.4
阀后压力/MPa	0.019	0.03	0.05	0.075	0.096	0.1	0.15	0.2
阀门压差/MPa	0.381	0.37	0.35	0.325	0.304	0.3	0.25	0.2
流量/t·h-1	5.15	5.14	5.15	5.13	4.97	1.76	4.5	4

    E、流量系数
    流量系数是调节阀设计和口径选择的主要依据，其基本计算公式是以牛顿不可压缩流体的伯努力利方程为基础。从阀门的结构来看，其流量系数的理论计算可按下式进行。
        （3）
    式中：μ—阀门流量系数；
    Φ_k—阀座流量系数；
    f_k—阀门开启面积，cm²；
    F_k—管道截面积，cm²。
    一般认为当f_k/F_k=0.2 时，=1，μ=Φ_k=常数。对于试验数据按下式进行计算。
        （4）
    计算结果见表8和表9。

表8 闸板式调节阀流量系数计算结果

试验序号	1	2	3	4	5	6	7	8
阀门流量/t·h-1	0.335	0.667	0.986	1.27	1.59	1.95	2.44	2.8
有效流通面积/cm2	0.065	0.131	0.194	0.299	0.323	0.338	0.452	0.516
理论流量/t·h-1	0.962	0.938	0.138	1.84	2.295	2.76	3.21	3.67
流量系数	0.726	0.715	0.715	0.69	0.693	0.706	0.76	0.764

表9 柱塞式调节阀流量系数计算结果

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
阀门流量 /t·h-1	0.146	0.317	0.56	0.878	1.233	1.64	2.05	2.46	2.86	3.1	3.33
有效流通 面积/cm2	0.013	0.0374	0.068	0.105	0.155	0.19	0.2386	0.29	0.344	0.401	0.422
理论流量 /t·h-1	0.228	0.464	0.718	1.123	1.523	1.99	2.435	2.9	3.44	3.985	4.19
流量系数	0.64	0.68	0.70	0.78	0.81	0.82	0.84	0.85	0.83	0.79	0.79

    试验用阀的流通面积和管道截面积之比分别为0.068 4和0.134，均小于0.2，所以，试验阀的流量系数为一常数，通常其算术平均值。DN32；PN25闸板式调节阀的流量系数μ=0.721，DN20；PN25柱塞式调节阀的流量系数μ=0.778。
三、结论
    通过对DN32；PN25闸板式调节阀和DN20；PN25喷水减温调节阀试验数据的研究与分析，我们得出以下结论。
    为确保锅炉运行实现自动控制，达到理想工作特性，喷水减温系统不易采用直线特性调节阀，应选等百分比或抛物线特性。
    试验证明水同蒸汽一样存在临界压力，它的数值与阀门的结构和开度有关。
    对于闸板式调节阀其流量系数可取0.72；对于柱塞式调节阀其流量系为可采用0.78。这个数据基本符合国际上一些国家在调节阀设计中所采用的数据。

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