蒸汽系統中調節閥選型及應用

文/ 肖朝明

蒸汽系統中調節閥選型及應用

文/ 肖朝明

調節閥是世界上現代制造業里非常重要的流體控制元件——合理、正確的選型將為工業控制系統提高效率、保證生產安全、節約能源、提高經濟效益。在生產現場，調節閥直接控制著工藝介質，有些介質成分比較復雜，尤其是高溫、高壓、易燃、易爆等特殊情況，若選擇不當，往往給生產控制帶來困難，以致調節質量下降，甚至造成嚴重的生產事故。在此僅以蒸汽系統上調節閥應用為例，來探討調節閥的選型。下面根據自己的工作經驗并結合相關資料，對蒸汽系統調節閥選型過程中應該注意的幾個方面予以闡述。

選擇合適的結構形式和材質

如何選擇調節閥的型式

首先介紹一下調節閥的分類，調節閥也被稱為調節閥。按驅動方式分可分為自力式和驅動式調節閥。按結構形式區分可以分為氣動調節閥、電動調節閥、液動調節閥。當然還有許多種別的分類方法。這些調節閥分別有各自的特點和適用場合。如調節閥前后壓差較小，要求泄漏量較小，一般可選用單座閥；調節低壓差、大流量的氣體，可選用蝶閥；調節強腐蝕性流體，可選用隔膜閥；既要求調節又要求切斷時，可選用偏心旋轉閥；噪音較大時可選用套筒閥。這里由于我們只討論蒸汽系統的調節閥選型。所以我們一般選用單閥座套筒型氣動或者電動調節閥。

如何選擇調節閥的材質

根據介質的工作壓力、溫度、腐蝕性、氣蝕沖刷是否嚴重等選材。一般應選鑄鋼；使用要求不高時（120 ℃、1.6 MPa以下）也可選用鑄鐵；高溫高壓（22～32 MPa）場合應選用鍛造合金鋼；不銹鋼可用于腐蝕性強的介質。

選擇合適的流量特性

調節閥的流量特性是介質流過調節閥的相對流量與相對位移（調節閥的相對開度）間的關系，一般來說改變調節閥的閥芯與閥座的流通截面，便可控制流量。但實際上由于多種因素的影響，如在截流面積變化的同時，還發生閥前后壓差的變化，而壓差的變化又將引起流量的變化。在閥前后壓差保持不變時，調節閥的流量特性稱為理想流量特性；調節閥的流量特性有等百分比特性、線性特性、拋物線特性及快開特性四種。下表是這四種的理想流量特性的對照表。就調節性能上講，以等百分比特性為最優，其調節穩定，調節性能好。我們可以根據實際使用場合的要求不同，挑選其中任何一種流量特性。但是，蒸汽系統中調節閥一般選擇線性和等百分比流量特性。

選擇合理的調節閥尺寸

當我們選定了調節閥的類型和特性之后，就可進一步決定它的尺寸。流通能力是確定調節閥口徑的重要依據，從工藝提供數據到算出流通能力，直到閥的口徑確定，需經以下幾個步驟：

計算流量

根據現有的生產能力、設備負荷及介質狀況來計算最大流量Qmax和最小流量Qmin。在計算Cv

本文作者來自于阿姆斯壯機械(中國)有限公司值時應按最大流量來考慮，但是最大流量考慮過多的余量時，使調節閥口徑偏大；這不但造成經濟上的浪費，而且更不利的是使調節閥經常工作在小開度，可調比減小，調節性能變壞，嚴重時甚至引起振蕩，因而大大降低了閥的使用壽命。

表1 調節閥的四種理想流量特性

在選擇最大流量時，應根據對象負荷的變化及工藝設備的生產能力來合理確定。對于調節質量高的場合，更應以現有的工藝條件來選擇最大流量，但也要注意不能片面強調調節質量，以致當負荷變化以及當現有生產設備經過技改或擴建，當生產能力稍有提高，調節閥就不能適應，即需更換。也就是說，應當兼顧當前與今后在一定的范圍內擴大生產能力這兩方面的因素，然后合理的確定最大計算流量。

閥前閥后壓差

要使調節閥能起到調節作用，就必須在閥前后有一定的壓差，閥上的壓差占整個系統壓差的比值越大，則調節流量特性的畸變就越小，調節性能就能得到保證，但是閥前后壓差越大，即閥上的壓力損失越大，所消耗的動力越多。因此必須兼顧調節性能和動力消耗，合理地計算壓差。調節閥的前后壓差ΔP主要是由其閥前壓力P1減去閥后壓力P2得到的。

這里必須注意，在確定計算壓差時，要盡量避免氣蝕和噪音。減小和防止氣蝕，可以從以下幾個方面考慮：

從壓差來看，避免氣蝕的最根本方法，是使調節閥的使用壓差ΔP低于不產生氣蝕的最大壓差ΔPC。但要做到這一點比較困難。一般來說，當閥上壓差ΔP＜1.5MPa時，即使產生氣蝕，但對材質的損壞并不嚴重，不需要采取什么措施。如果ΔP較高，就要設法解決氣蝕問題。如：增長節流通道（把閥芯加長、閥座加厚）；在閥座密封面上部增設阻力；減小壓力恢復程度；削弱氣蝕；也可在閥前、后加裝限流孔板吸收一部分壓降。

從材料來看，一般來說材料硬度越大強抗氣蝕能力越強，由于氣蝕往往發生在金屬表面，可在閥芯、閥座、閥桿等處噴鍍或堆焊一層硬質金屬，這種方法叫表面硬化處理。采用的材料目前有司太萊合金、硬質工具鋼、碳化鎢等，其中以Stelite NO12應用最為廣泛。經表面硬化處理后，以奧氏體不銹鋼（SUS304、1Cr18Ni9Ti）為例，可提高耐氣蝕10倍以上。

流通能力Cv值的計算：

流通能力Cv是選擇調節閥的主要參數之一，飽和蒸汽的Cv值按下式計算:

⑴ 低于臨界流速，當ΔP＜0.81（P1/2）

Cv=Qmax/2.1 √ (Δp(p1+p2))

⑵ 臨界流速，當ΔP＞=0.81（P1/2）

Cv=Qmax/1.633(P1)

目前調節閥生產廠家都提供計算Cv值的軟件，這里我就不再詳述具體計算過程。根據計算出的流通能力Cv值大小查調節閥廠家的對照表表，就可以確定調節閥的公稱通徑。

調節閥開度驗算：

一般要求最大計算流量時的開度在85%左右，最小計算流量時的開度不小于10%。如果最大開度過大，調節閥會產生過大振動和噪音，調節精度不準確。最小開度，希望不小于10%，否則，閥芯閥座受流體沖蝕嚴重特性變壞，甚至失靈。

選擇足夠推力的執行機構

如何選擇氣動執行機構

一般應優先選用薄膜執行機構，當薄膜執行機構不能滿足上述兩項要求時，應選用活塞執行機構。調節口徑大或壓差高時，可選用活塞執行機構。有效面積越大，執行機構的位移和推力也越大，可按實際關斷壓力需求進行選擇。

如何選擇電動執行機構

選擇一臺合適的電動執行機構規格時必須考慮的主要因素就是力矩大小。大部分閥門廠商會將力矩參數提供給客戶。這樣就可以使用閥門廠商提供的配套數據表或選型軟件進行選型。有時還需考慮閥門操作的速度和頻率。部分小規格的直流電動執行機構可調節行程速度。電動執行機構選型還需要根據現場工況確定選擇哪種控制種類。主要的有開關控制和連續控制兩種，通常調節用途都需要連續控制類型。

選擇合適的輔助裝置

氣動調節閥的輔助裝置有：

閥門定位器：包括電氣閥門定位器和氣動閥門定位器，用于改善調節閥工作特性，實現正確定位。通常用于摩擦力大，需要精確定位的場合。

電磁閥：實現氣路的自動切換。

手輪機構：系統故障時，可切換進行手動操作。

空氣過濾減壓閥：作為氣源過濾、減壓之用。

密封填料的選擇

此外還需考慮調節閥的外泄問題，注意密封填料的選擇。四氟填料，因為工作溫度在 -40～235℃范圍內。當溫度變化較大時，其密封性能變會明顯下降，老化快，壽命短，柔性石墨填料可克服這些缺點，使用壽命長。但石墨填料的回差大，最初使用時會產生爬行現象。對這方面必須有所考慮。

閥門噪聲的預測

調節閥的生產廠家一般都有自己的噪聲預測方法，通常都是按照IEC 60534-8標準為計算依據，選型時必須考慮到環境對噪聲的限制，通常要求必須小于85 dB。

結束語

調節閥選型實際中還會面臨許多其他問題。這里僅僅以蒸汽系統作為例子粗淺介紹了調節閥的基本選型步驟和方法。實踐證明調節閥選型不僅僅是計算出Cv值后對照表格選擇閥體口徑這么簡單，而是需要結合實際應用場合多方面考慮。

1.房汝洲《實用閥門設計手冊》中國知識出版社2006年4月出版

2.詹姆斯 W·哈奇森《調節閥手冊》第二版化學工業出版社. 2005