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氣動溫度薄膜調節閥如何設計

發布時間:2019-07-30 瀏覽量:1281

0 引言

溫度調節閥用以調節工藝生產中介質的溫度,常使用氣動或電動調節。薄膜式調節閥的結構原理如圖1所示。隨工藝物料(氣體或液體)的溫度變化,膜瓣上的壓力發生改變,從而控制閥口的開度。該類閥結構簡單,運行調節范圍寬,穩定性好,操作方便,因而在石油化工生產中廣為應用。

圖1 薄膜調節閥原理

1 設計的技術指標

合理選擇薄膜閥的設計指標是決定其運行特性的根本因素,關鍵指標包括:

1)閥開度系數。閥的開度系數又叫閥阻系數,常用S表示,其計算式可以表述為

S=△Pf/∑△P。

式中:△Pf為閥上壓力降低量,MPa;∑△P為總壓力降低量,MPa。

2)調節比。用閥的最大流量和最小流量的比值來表征閥的調節范圍,稱為調節比R,其公式為

R=Qmax/Qmin

式中:Qmax為最大流量,m3/h;Qmin為最小流量m3/h。

3)壓縮系數。壓縮系數說明流體的壓縮比例,常用ε來表示,壓縮系數不僅與調節閥通道幾何形狀有關,而且與介質的物理性質有關,氣體壓縮系數為

式中:η為氣體修正系數;Pin為閥入口壓力,MPa。

4)通流能力。閥的通流能力C是閥設計與檢驗的關鍵指標,也作為閥運行特性的主要衡量指標,對于氣體,當P2>0.48P1或△P<0.52P1時,通流能力為

當P2≤0.48P1或△P≥0.52P1時,通流能為為

式中:Qmax為最大流量,m3/h;P1為閥前絕對壓力,MPa;P2為閥后絕對壓力,MPa;△P為閥上壓力降,MPa;γ為流體密度,kg/m3;T為工作溫度,℃。

2 設計指標的選擇

目前我國生產的調節閥有直線特性、等百分比特性和快開特性三種基本流量特性,對于快開調節閥一般是應用于兩位式調節和程序控制。本文重點研究直線特性和等百分比特性調節閥的計算與選型。

2.1 閥的控制特性選擇

從控制系統的調節品質出發選擇調節閥的流量特性,希望控制回路的總放大系數,在控制系統的整個操作范圍內保持不變。正確的選擇調節閥流量特性主要是選擇閥的放大系數的變化。若調節對象放大系數為線性時,調節閥采用線性工作特性;對于放大系數隨負荷干擾的加大而趨小的調節對象,宜采用等百分比特性閥。

表1列出常用控制系統調節閥特性選擇表,供選擇時參考。表選出的是閥的工作特性,還要參考配管情況即S值來確定閥本身的理想特性。

表1 溫度控制系統調節閥特性選擇

2.2 閥阻選擇

1)一般情況選取。設計時要根據閥控制系統初步決定閥阻的大致范圍,結合閥控制特性的選擇,考慮配管情況對閥阻的影響,常根據表2來選擇閥阻S的大小。

表2 閥阻S特性選擇

在實際的管道安裝中,S值不可能等于1,而往往要低到0.3~0.6左右,S值<0.3以下時,工作特性曲線發生嚴重畸變而無法應用調節。

選擇閥門的理想特性的關鍵是看S值大小,一般對調節閥的壓差選擇為占系統總壓差的30%~50%,即S=0.3~0.5為宜。

2)特殊情況選取:a.當選用的調節閥經常工作在小開度時,宜用等百分比閥,直線閥則用小開度時,放大系數比較大,不便于微調,而且易引起振蕩并加劇閥芯閥座間的磨損,破壞閥的密封性;b.如流通介質有懸浮物,以使用壽命為主要考慮條件時,采用直線閥較好,因它的閥芯曲面較瘦不易磨損;c.如調節系統非常穩定,這時調節閥的行程變動很小,故閥特性對調節質量無多大影響,可任意選用。

3)調節比選取。調節比的選取也即確定閥調節的最大流量和最小流量,設計時可以根據閥的規格和承壓能力確定流量調節范圍。

4)壓縮系數的選擇。壓縮系數根據閥設計選定的最大壓降和最大流量來選擇,可以用最大壓降和最大流量來計算出壓縮系數值。

5)通流能力的計算。根據公式來計算所設計調節閥的通流能力,按計算的通流能力,查閥設計手冊,選定閥的公稱直徑、閥座直徑、閥芯行程和膜頭面積。表3列出了部分直通單座調節閥等百分比特性流通能力C值。

表3 等百分比特性流通能力C值及允許泄漏量

說明:DN為閥公稱直徑;d為閥座直徑;H為行程;A為膜頭有效面積;Cg為公稱通流能力。

3 設計校驗

在選定閥的公稱直徑、閥座直徑、閥芯行程和膜頭面積后,要根據已經設計選定的調節范圍R,計算最大通流能力Cmax,驗算最大流量時的開啟度,要求最大開啟度在90%即可。

對直線特性,開啟度為:

對等百分比特性,開啟度為

式中:R為調節范圍;Cmax為計算最大通流能力;Cg為公稱通流能力。

4 結語

因為閥門調節是在調節范圍內的連續性調節,所以閥門設計很少考慮閥門控制需求的工藝指標,而是根據閥門的承壓能力和接管需求;對閥門的控制性能是在閥門設計完成以后來進行核算出來,成為閥門的性能指標,這種閥門在滿足工藝需求和控制特性上存在不足,常常是控制特性不匹配,閥門調節很難控制。

本文從閥門控制的特性指標出發,依據閥門設計壓力、控制特性、閥阻系數、流體壓縮特性、調節范圍和通流能力等工藝性能指標,同時依據閥門設計標準和設計手冊,提出了一種全新的閥門設計過程,使得閥門控制特性相互匹配,更好地滿足工藝控制需求。


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