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自控工程设计中调节阀的选型

1 调节阀选型的重要性
调节阀在过程控制中的作用是接受调节器或计算机的控制信号,改变被调介质的流量,使被调参数维持在所要求的范围内,从而达到生产过程自动化。
调节阀是自控系统中的执行器,它的应用质量直接反应在系统的调节品质上。作为过程控制中的终端元件,人们对它的重要性较过去有了更新的认识。调节阀应用的好坏,除产品自身质量、用户是否正确安装、使用、维护外,正确地计算、选型十分重要。由于计算选型的失误,造成系统开开停停,有的甚至无法投用,设计人员应该认识阀在现场的重要性,必须对调节阀的选型重视,至关重要。
2 调节阀的工作原理
要正确选型必须知道调节阀的工作原理,调节阀与孔板一样是一个局部阻力元件。调节阀的节流面积可以由阀芯的移动来改变,因此是一个可变的节流元件。因此可以把调节阀模拟成节流件孔板的形式。对于不可压缩流体,根据伯努利方程,调节阀的流量方程为:
P1/ρg+V12/2g=P2/ρg+V22/2g;

公式

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。
3 调节阀选型的原则
调节阀由执行机构和阀门两部分组成,调节阀选型需遵循下面的原则:
3.1 根据工艺条件,选择合适的结构形式和材料
3.1.1 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。
选择阀门之前,要对控制过程的介质、工艺条件和参数进行细心的分析,收集足够的数据,了解系统对调节阀的要求。可以从以下几个方面考虑:
1)阀芯的形状结构主要根据所选择的流量特性和不平衡力等因素考虑。
2)耐磨损性,当流体介质是含有高浓度磨损性颗粒的悬浮液时,阀芯、阀座接合面每一次关闭都会受到严重摩擦。因此阀门流路要光滑、阀的内部材料要光滑。
3)耐腐蚀,由于介质具有腐蚀性,在能满足调节功能的情况下,应尽量选择简单的阀门。
4)介质的温度、压力,当介质的温度、压力高且变化大时,应选用阀芯和阀座的材料受温度、压力变化小的阀门。
5)防止闪蒸和空化闪蒸和空化,只产生于液体介质。闪蒸和空化不仅影响流量系数的计算,还会形成振动和噪声,使阀门的使用的寿命变短。
如:套筒阀与偏心旋转阀在振动和噪声较大的场合选用套筒阀合适,而介质有黏性或带有微小颗粒时,则选用偏心旋转阀较合适。
3.1.2 材料的选择
调节阀的各个零部件,特别是与工艺流体接触的阀体与阀内组件、材料的正确选择与调节阀的结构型式和公称通径的选择同样重要。选择调节阀材料必须考虑以下各个因素。
1)流体的压力和温度对材料的影响。
2)流体腐蚀性对材料的影响。
3)流体的空化现象和泥浆流体对材料的影响。
4)从结构上考虑,材料组配是否有问题。
阀体材料的选择一般高于管道材料;
a)在高温情况下,必须充分考虑高温强度、高温下的金相组织变化及耐腐蚀性问题。一般含有合金钢材料:铬、镍、钼等。
b)高温高压下,钢受到氢气的浸蚀,一般会造成脱碳现象,引起脆化(常称氢脆)。钢中加入铬、镍、钼等元素后,它与碳元素结合,可提高钢的抗氢腐蚀性。
c)在选低温材料时,要充分考虑低温冲击值,还要考虑材料在低温下出现韧性下降的问题。奥式不锈钢的低温机械性能比较稳定,经常采用。(304、316L)
d)当流体是液体,特别是热水时,必须充分考虑材料的耐气蚀问题。特别是流体的温度大于100℃时,最好用铬钼钢。
e)耐腐蚀材料一般有不锈钢、20#合金钢、哈式合金等。
阀内组件材料一般用304、316等不锈钢,有时根据特殊情况进行硬化处理。 常温、常压差不做硬化处理,但阀座要求精度高、泄露小,也应考虑硬化处理。 方法有:热处理、堆焊硬化层、表面硬化处理等
3.2 根据工艺对象的特点,选择调节阀的流量特性。
调节阀流量特性的选择,调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与位移(阀门的相对开度)间的关系,理想流量特性主要有直线、等百分比(对数)、抛物线和快开等4种,常用的理想流量特性只有直线、等百分比(对数)、快开三种。抛物线流量特性介于直线和等百分比之间,一般可用等百分比特性来代替,而快开特性主要用于二位调节及程序控制中,因此调节阀特性的选择实际上是直线和等百分比流量特性的选择。
调节阀流量特性的选择可以通过理论计算,但所用的方法和方程都很复杂。选择的基本原则是;
1)线性流量特性
a)压差变化小,几乎恒定; b)液位定值调节系统; c)主要干扰为给定值的流量、温度调节系统。
整个系统的压力损失大部分分配在阀上(开度变化,阀上压差变化相对较小。大多数选用等百分比流量特性。
2)等百分比流量特性
a)要求大的可调范围; b)管道系统压力损失大; c)开度变化、阀上压差变化相对较大; d)流量、压力、温度定值调节系统; e)主要干扰为给定值的压力调节系统; f)各种调节系统。
3.3 根据工艺操作参数,选择合适的调节阀口径尺寸
调节阀口径的选择和确定主要依据阀的流通能力即Cv。在各种工程的仪表设计和选型时,都要对调节阀进行Cv计算,并提供调节阀设计说明书。 从调节阀的Cv计算到阀的口径确定,一般需经以下步骤:
1)计算流量的确定。现有的生产能力、设备负荷及介质的状况,决定计算流量的Qmax和Qmin。 2)阀前后压差的确定。根据已选择的阀流量特性及系统特点选定S(阻力系数),再确定计算压差。 3)计算Cv。根据所调节的介质选择合适的计算公式和图表,求得Cmax和Cmin。
液体:a)Cv值计算公式为:

公式

式中:Q=最大流量m3/h G=比重(水=1) P1=进口压力Kgf/cm2 P2=出口压力Kgf/cm2
上面的公式只适用于流体流动呈紊流状态,或雷诺数大的场合,流体接近层流或雷诺数小的场合,上述公式必须进行粘度修正。
当饱和温度的热水或者接近饱和温度的热水,流经调节阀节流口压力会降低,调节阀出口处的水中可能会有水蒸气。在这流动条件下,液体流动的基本定律就不再是正确的。调节阀的CV值的计算就需要修正。在这种情况下,应按下列步骤进行:
△T<2.8℃(5 8/)△PC=0.06×P1
2) △T>2.8℃(5 8/)△PC=0.9×(P1×PS)
3) △T=在进口压力下的液体饱和温度与进口温度之差。 △PC=计算流量用的允许压差(Kgf/cm2) PS=进口温度下液体的绝对饱和压力(Kgf/cm2 abs) 只有当公式2)或3)计算出△PC的小于调节阀上的实际压差△P时,公式1)必须用△PC代替△P; 除水以外的其它液体,一般的计算办法是计算出闪蒸的比率,然后分别计算出液体和气体的Cv值,他们之和作为计算结果。闪蒸的比率: X=(i1-i2)/r2=Cp(T1-T2)/r2
i1 进口温度T1下的热量(Kal/kg); i2 出口压力P2的饱和温度(T2)下的热量(Kal/kg); r2 出口压力P2的饱和温度(T2)下的潜热(Kal/kg); Cp=(T1+T2)/2 的液体比热(Kal/kg)
b)气体计算公式:气体在△P≥P1/2状态时,气体的流速达到音速,流量会达到饱和状态。压差再增大,流量也不会增加了。因此分为两种情况讨论: △P<P1/2和△P≥P1/2, △P<P1/2,

公式

Q :最大流量,比重(空气=1), T :流体温度(℃), P1:进口绝对压力(Kgf/cm2), P2:进口绝对压力(Kgf/cm2);△P=P1-P2 c)水蒸汽计算公式

公式

△P<P1/2和△P≥P1/2, △P<P1/2,
P1:进口绝对压力(Kgf/cm2), P2:进口绝对压力(Kgf/cm2);△P=P1-P2最大流量(kg/hr) d)其它水蒸汽的计算公式:

公式

当P2<P1/2时,应用P1/2代替△P;V2用P1/2相对应的值。 W:最大流量(Kg/hr) V1:在进口压力P1下蒸汽比容(cm3/gr at P1) V2:在出口压力P2下蒸汽比容(cm3/gr at P2) P1:进口绝对压力(Kgf/cm2) P2:进口绝对压力(Kgf/cm2);△P=P1-P2 4)选用Cv。
计算出最大流量、正常流量、最小流量对应的流量系数Cmax、Cnor,Cmin后,根据已确定的调节阀的选型,在该系列中调节阀的流量系数中不小于最接近于此Cmax值的一个,作为最终选定的流量系数C100。

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