浅谈控制阀在过程控制系统中的选型计算及应用
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【摘要】 控制阀是过程控制中的执行器,它的应用质量直接反映在系统的调节品质上。作为过程控制中的终端与案件,人们对它的重要性较过去有了更新的认识。控制阀应用的好坏,除了产品自身质量、用户是否正确安装、使用、维护外,根据工况条件正确地计算和选型非常重要。
【关键词】 控制阀选型计算多级降压
1 前言
控制阀是过程控制中的执行器,它的应用质量直接反映在系统的调节品质上。作为过程控制中的终端与案件,人们对它的重要性较过去有了更新的认识。控制阀应用的好坏,除了产品自身质量、用户是否正确安装、使用、维护外,根据工况条件正确地计算和选型非常重要。
若在控制阀计算选型的过程中存在失误,很有可能会导致系统控制不稳定,甚至无法投用,因此,设计人员需要认识到控制阀在现场的重要性,必须重视对控制阀的选型计算。
2 控制阀的工作原理
控制阀同孔板一样,是个局部阻力元件,控制阀由于节流面积可以由阀芯的移动来改变,因此视作一个可变的节流元件。可以把控制阀模拟成孔板节流形式,对不可压缩流体根据伯努利方程,控制阀的流量方程式为:
P1/ρg+V12/2g=P2/ρg+V22/2g;
V1,V2—节流前后速度;
P1,P2—节流前后压力;
A ——节流面积;
Q ——流量;
ζ——阻力系数;
g ——重力加速度;
ρ——流体密度。
当调节阀的口径一定时即调节阀两端压差(P1-P2)不变时,流量Q随阻力系数而变化。减少,Q增大。
图1 调节阀节流模拟
控制阀的选型原则:
控制阀由执行机构和阀门两部分组成,根据阀的阀体的结构形式可分为单座阀、双座阀、角阀、三通阀、偏心旋转阀、蝶阀、球阀、隔膜阀等。选型需遵循如下原则:
(1)选择控制阀体的形式,可根据控制阀前后压力、介质的特性选择适当的阀型:
前后差压低的工况可选择单座阀, 差压较高可选择双座阀、在差压极高的情况下可选择多级降压调节阀、角阀;
在满足使用要求的前提下,适合的控制阀可能有几种,应综合考虑经济效应:使用寿命、结构简单、维护方便、产品价格合适。
(2)选择控制阀体的材料,应主要考虑材料强度、硬度、耐腐蚀性等特性,首先应满足安全可靠,还要考虑使用的性能等。
(3)选择控制阀与工艺管道连接形式,主要根据管道压力等级决定用螺纹或是法兰连接形式。
(4)对于流量动作的选择:球阀、蝶阀对流向没有要求、对冲刷严重、自洁有要求的阀门选择流闭型,一般选择流开型动作形式。
(5)对于执行机构的选择,可根据其可靠性和防爆型考虑,通常选择用气动执行器、当缺乏压缩空气的情况下,可选择电动执行器。
(6)对于阀内件材质的选择,可根据工艺条件中操作温度选择适当的材质。
3 调节阀的计算与选型
在调节阀的选型过程中,对流量系数的计算,尤为重要,调节阀作为自动控制系统的终端执行部件,其口径的合理选定有着重要意义。口径过小,会使调节阀通过工艺对象要求的最大流量,或使能耗增加;口径过大,不仅使投资增加,而且使调节阀经常在小开度条件下工作,容易造成控制系统不稳定。影响调节阀选定的因素很多,其中最主要的是调节阀流量系数C的确定。
3.1 应首先判别流体是否为阻塞流
(1)在计算液体介质的流量系数时,
判别式为:
(非阻塞流)
(阻塞流)
(阻塞流)
——阀前压力(Pa)
——阀后压力(Pa)
——饱和蒸汽压力(Pa)
——临界压力(Pa)
根据经验计算公式:若可判断为阻塞流。
(2)在计算气体或蒸汽介质的流量系数时,
判别式为:
(非阻塞流)
(阻塞流)
——差压比,即阀两端差压与入口绝对压力之比
——阀前压力(Pa)
——阀后压力(Pa)
——比热容比系数
根据经验计算公式:若可判断为阻塞流。
3.2 若判断为阻塞流,则需要选择多级降压调节阀,首先计算降压级数
3.2.1 若介质为液体
——阀前压力(Pa)
——阀后压力(Pa)
3.2.2 若介质为气体或蒸汽
——阀前压力(Pa)
——阀后压力(Pa)
3.3 根据公式估算出流量系数C
3.3.1 若判断出不是阻塞流
液体介质:
气体或蒸汽介质:
3.3.2 若判断出为阻塞流
液体介质:
气体或蒸汽介质:
4 多级降压阀的计算选型与选型
若判断出为阻塞流,那么就要考虑到流体经过阀门后,可能会导致闪蒸或者空化的现象。
当发内的液体流体当其在缩流断面处的压力降低到等于或低于该液体在阀入口温度下的饱和蒸汽压力时,部分液体就会汽化,产生汽泡,此现象成为闪蒸。若缩流断面后流体的压力恢复到高于上述饱和蒸汽压力时,已经汽化的液体又同时恢复到液相,汽泡破裂,释放出能量,此现象成为空话。
闪蒸和空化都会损坏阀芯,降低调节阀的寿命,同时产生振动和噪声,因此,在使用调节阀的时候,应尽量避免这种情况的发生。所以在有阻塞流的工况下,一般的调节阀就不适合用于选型。
引起闪蒸或空话的阀压降的公式如下:
当时,仅发生闪蒸;当时,则发生空化;
因此防止阀门产生闪蒸或空化现象,有一下方法:
(1)减小阀压降;
(2)改变调节阀选型;
(3)增加阀前压力。
但是如果遇到前后压降过大、条件比较苛刻的工况,当以上三点都无法满足时,我们需要考虑改变阀芯的形式来克服高压降导致的气蚀现象给阀门带来的损害,这时候,我们需要考虑多级降压阀的选择
多级降压高压差调节阀用于精确控制高温、高压、高压差以及含有固体颗粒流体的流量和压力。该类阀门一般有迷宫式、多层笼式、多段式等形式,能防止液体空化产生的气蚀、减小了高速流体对阀内件的冲刷。
4.1 多级降压阀的结构和工作原理
多级降压高压差调节阀的阀芯分平衡式和不平衡式两种
不平衡型阀芯结构:由于阀芯受不平衡力的作用,因此克服高压差时需要较大的执行机构输出力。因此适用于对高温流体一级含有固体颗粒或结晶体介质的控制。
平衡型阀芯结构:在多级阀芯上开有平衡孔,阀芯上下受均压作用,因此比较适合用在介质清洁的介质中。
4.2 多级降压阀的计算与选型
根据经验计算公式:
液体介质,若时为阻塞流,那么降压级数:
——阀前压力(Pa)
——阀后压力(Pa)
根据产品样本,选择大于该级数的多级降压调节阀,在缩径不小于3级的前提下,挑选最接近的额定CV,通过复杂计算开度,若满足两通阀开度要求即可。
气体介质,若时为阻塞流,那么降压级数:
——阀前压力(Pa)
——阀后压力(Pa)
根据产品样本,选择大于该级数的多级降压调节阀,在缩径不小于3级的前提下,挑选最接近的额定CV,通过复杂计算开度,若满足两通阀开度要求即可。
4.3 多级降压阀的材料选择
由于一般阻塞流的工况,都相对比较苛刻,因此在材料的选择上,主要考虑到强度、接触硬度、热膨胀系数、阀内件应抗冲刷、耐腐蚀,并防止在高温高压下变形和要死。阀体适宜采用锻造件、粗加工后必须经过超声波探伤检验。
阀门填料可采用碳纤维聚四氟乙烯编制的填料或者带金属网填充柔性石墨等高强度填料,以避免内漏。为防止高压流体经填外协,所以填料必须压得很紧,这样就会加大了填料和阀杆的摩擦力,有可能会导致阀杆的磨损,造成腐蚀。
因此阀杆表面需要硬化处理来提高阀杆的寿命。
一般都可参考生产商的产品样本选择,常见的材料有(如表1)。
参考文献:
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