浅析调节阀的选型在工程设计中的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 02 日 作者简介：李思浩（1990），男，汉族，甘肃兰州人，本科，中级工程师，研究方向为石油化工自动化仪表。-1-浅析调节阀的选型在工程设计中的应用 李思浩 甘肃省兰州市兰州寰球工程有限公司，甘肃 兰州 730060 摘要：摘要：在工业自动化系统中，调节阀是一类应用最为广泛的执行机构。该阀门与液体直接相连，对液体的压力或流速进行控制。计量仪器经常被称为“眼睛”，是制造过程自动控制的重要组成部分。各种先进的控制原理、巧妙的控制理念、复杂的控制策略，都是通过执行机构来作用于被控对象。选择合适的阀门结构型式，流量特性，流量容量；选择合适的执行器输出扭矩或推力和冲程；它对实现自动化系统的稳定和经济合理具有非常重要的意义。若计算失误或选取不当，不仅会对系统的性能产生不利的影响，还会使整个系统失去控制效果，严重时甚至不能实现自动控制。有太多的例子表明，由于调节阀的选择不正确，造成了自动控制系统的振荡。所以，在设计自控系统时，对调节阀的设计和选择进行计算，是一个必须认真考虑的重要环节。为了满足特定的控制系统的需要，要选择合适的调节阀，就需要了解流体动力学的基础理论。全面掌握各类阀门的结构形式、特点，深刻理解被控对象及控制系统构成特点。阀门直径的确定是阀门选型的关键，而阀门直径的确定关键是流量的计算。流通量的计算方法是比较成熟的，可以通过计算机进行计算，但如何选择合适的参数是一门技术活，还需要仔细考虑。关键词：关键词：调节阀；调节阀选型；调节阀计算 中图分中图分类号：类号：TM621 0 引言 在现代工业的自动化控制系统中，调节阀是最常见的终端控制元件，它可以对生产过程中的工艺参数进行有效的控制，从而实现对液体的压力、温度、流速和液位进行调节，它可以说是工业自动控制系统的“手脚”，在石化、电力、冶金、市政、医药、饮料等领域都有着广泛的应用。在现代企业中，阀门的使用寿命很大程度上取决于阀门的选择。选择合适的设备，可以确保系统中的工艺参数不会超过规定的运行范围，从而确保最终产品的质量。此外，选择合适的阀门，不仅能优化控制、提高生产率，而且还能延长阀门的寿命、减少维修费用和制造费用。调节阀的主体部分包括阀门、传动装置和各类控制配件。在选型时，应根据工作条件、流量特征，选用合适的调节阀，并选用能确保阀门安全、稳定工作的执行器及控制元件。1 阀型的选择 调节阀的种类分为直行程和角行程两种，不能简单地认为哪一种调节阀更优，实际上厂家为了适应不同的工作条件，总是会生产出各种型号的调节阀。直程阀是利用向上和向下冲程的推力来控制阀门的开启和关闭，并在一定的范围内进行控制。在众多的调节阀中，直行程调节阀是一种比较成熟的型式，适用范围较广；同时在阀座的紧密性、密封性及密封性等方面具有极大的优越性。常见的型号包括：单座阀门、双座阀门、笼式阀门、三通阀门、膜片阀。单座阀门是最普通的阀门，可以满足大多数工作条件的需要。它是一种简易的接头，一般用于对密封有严格要求的场合。可以选择金属对金属座圈，也可以选择金属对聚四氟乙烯或重质材料构成的软座圈。该阀采用单座阀组，可以适应高温、高压的工作环境，而小型阀组可以适应较大的压力差条件，可以采用多个阀心，通过更换阀心来实现其流动特性的变化。在不增加管路直径的情况下，可以实现对流量的调节。单座阀的流体介质一般都是将载荷施加到整个阀座面积上，在选用执行器的时候要考虑到不平衡力，因此要配备一个具有更大推力的执行器，一般都是采用小孔径的。双座阀有两个阀心和两个阀座，由于液体倾向于开启一个阀座，而在另外一个阀座上闭合，作用在阀体上的作用力达到了均衡，与单座阀相比，它需要较少的执行器，并且具有较大的流通容量和较大的口径。笼型阀是一种由阀腔、阀腔构成的阀内件，它能减小不中国科技期刊数据库 工业 A 平衡力，具有良好的稳定性，能减小噪声，并能抵抗空蚀效应。但是与单座阀、双座阀门相比，其成本更高、渗漏更多，且不适用于有微粒或污染较大的情况。在遇有腐蚀性介质调整的情况下，也可选用衬塑型膜片阀，但是它的流量特性接近于快开型，调整效果不佳。因此，对于腐蚀性介质，可以选用特选的单座阀门，不仅能够耐腐蚀，而且能够达到调整性能的要求。大多数直通阀采用顶装式，因此，可以在不拆除管道法兰的情况下，在线替换阀内件。直程调节阀用途最广，但其价格也比较昂贵，尤其是对于大口径的阀门。在同样管径条件下，角程调节阀比直程调节阀有更大的流通量，因此在很多行业中都有广泛的应用。角程调节阀是利用阀腔内的 090旋转作用力来完成对阀门的开启和关闭以及流量的控制。按照球体的形状，球阀可分为 O 型和 V 型两种。O 型球体是一种没有阻力的流道，在大流量的情况下是比较常见的。V 型球形流体的流动特征为等比例，其调节比例较大。“V”型的滚珠与阀座之间的相对转动，能起到剪切的效果，因此，它更适合于冲蚀，高粘度，悬浮流动，含有纤维的介质的调整与切割。由于采用了直流通路，所以其流量比普通直程阀大一倍。但是，球阀的内部结构一般不太多，并且不能通过改变球心来改变其内部流动特性。蝶阀是最常用的流体控制阀门，适用于低压，中压，和大流量。它体积小，重量轻，是同直径球形球阀的数倍，而且造价低廉，因此，它尤其适合大直径的使用。对于管径大于 300 毫米的管道，通常采用蝶阀。蝶阀按其结构特征可以划分为中心型和偏心型，中间型蝶阀多为柔性密封型，在通用的使用条件下，温度、压力都受到限制。当偏心蝶阀打开时，由于配流盘的偏心，使配流盘更迅速地离开密封面，因此可将密封损耗降至最低，适合在高频切换的场合使用。此外，偏心蝶阀的阀座密封采用了先进的金属密封结构，能够适应不同的介质温度和较大的压力范围。比如三个偏心蝶阀，采用的是金属硬质阀座，夹有石墨与弹性相结合，既提高了强度，又能将自适应调整特性发挥到极致。偏心回转阀兼有球阀与蝶阀之优点，流道简单、调整效果佳，适合于含有晶体、微粒、污物等介质。本产品具有更小的尺寸和更好的密封性能。在开启过程中，摩擦极少，从而延长了阀座的使用寿命。在流量开启，流量关闭，压力差的情况下，均能平稳操作。2 执行器及附件的选择 驱动调节阀动作的执行器，一般是气动、电气或电液压两种。在有气源的情况下，采用气压传动，更加洁净，环境友好，无气源的情况下，选用电动执行机构。气压操纵控制阀执行机构是一种常用的执行机构，特别是对于小管径的阀门。气动执行器具有结构简单、维护容易、成本低、无污染等优点。薄膜型执行器采用单簧或多簧两种结构，可用于直程、角程的阀门。气压活塞型，有两种结构，一种是单作用的，一种是带弹簧的，还有一种是双作用的。气动执行机构的输出功率是由所能供给的气体压力决定的。气动调节阀配有定位器、阀位传送器、空过滤器减压阀、手操纵、阀、位阀、气放大、限开关等配件，以满足用户的需要。定位器是实现阀门位置的关键元件。该系统以阀杆的位移信号为反馈量测，DCS 或控制器的输出为设定点，并将二者进行对比，在二者存在差异的情况下，定位器向所述执行机构输出一个控制信号，从而驱动所述执行机构，从而使所述阀杆的位移与所述控制器的输出信号形成一对一的对应关系。因此，阀位调节器是一种反馈式控制系统，它将阀杆的位移作为测量信号，控制器的输出作为设置信号。根据定位装置的结构形式及工作原理，定位装置可分为气体定位装置、电动气阀门定位装置及智能型定位装置。随着科技的进步，产品更新换代，现在使用最多的是智能型定位仪。该智能电子阀定位装置与传统定位装置比较，其控制精度高，能量消耗小，调节方便，适用范围广，可对调节阀的流量特征进行任意选择，并可配置 HART 及总线通讯技术。通过 DSC、PC 软件和手动操作，用户可以在线对阀门的运行状态进行在线诊断。电动执行机构适用于不能提供气源的场合。电动执行器是一种利用电动马达及减速装置对阀门进行动作调整的执行器。在大规模精密控制工程中，电动执行器得到了广泛的应用，因为它具有动作快、响应快、使用电源方便、便于远距离传输信号等优点。电机驱动装置由电机、减速齿轮箱、控制单元等构成，在获得大推力时，其尺寸过大，且密闭空间内易放热量，2中国科技期刊数据库 工业 A 导致防火、防爆性能存在较大的安全隐患。总体而言，电动执行机构的成本要高于同样性能的气动执行机构。电动执行机构是一个发展迅速的行业，在将来，将会有更多的应用到电动执行机构。电液执行机构是一种集电控与液压于一体的执行器，适用于大推力大力矩，响应快的应用场合。简单地向马达供电，并通过控制器提供电的输入信号。一般情况下，执行器只需稍加调节就能实现动作方向的改变，而电液执行器在大型工程中的应用越来越广泛。此外，在选择阀门时，要综合考虑各种因素，不仅要满足工艺要求，而且要保证使用的安全性，还要兼顾成本和性能价格比。在化工及其他工业自动化生产线上，压力和温度不仅是生产过程中的技术参数，而且也是对其进行安全监测的一项重要指标。所以，在选择调节阀的时候，一定要把调节阀的温度、压力、材料等三个条件作为首要条件，严格把关。空蚀效应在设计中应充分考虑，空化现象产生的噪声较大，剧烈的振动会迅速造成阀的损伤，增加维护费用。在选用调节阀的时候，要综合考虑购置、安装、维修、替换零部件等方面的费用。3 具体选型分析 3.1 调节阀的阀体类型选择 调节阀的阀体有很多种，常见的有直头单座，直双座，角型，膜片，小流量，三通，偏心旋转，蝴蝶型，套筒型，球形等。在作出具体的选择时，可以作以下考虑：(1)阀芯形状结构 设计时应以选定的流体特征、偏载能力为依据。(2)耐磨性能 在液体介质为含高磨蚀微粒的悬浊液时，阀门的内壁材质必须硬。(3)防腐性能 因为被腐蚀的介质，应尽可能选用结构简单的阀门。(4)培养基的温度和压强 在工作介质温度高，压力变化大的情况下，要选择阀心及阀座材质受温压变化小的阀门。(5)防止闪蒸和空化 只有在液态介质中才会出现闪蒸和气蚀现象。在实际操作中，由于闪燃、空化会引起振动、噪音，从而降低了阀门的使用寿命，所以在选用阀门时要注意避免出现闪沸、气蚀等现象。3.2 调节阀执行机构的选择 要确保调节阀能够正确地工作，必须配置能够提供足够的输出功率，以确保阀门具有较高的密封性和开启度。通常，对于双作用的气动、液动、电动执行机构一般都没有复位弹簧。推力的大小与马达的运动方向没有关系，所以确定马达的最大输出功率和马达扭矩是决定驱动器性能的重要因素。在单动气动执行器中，其输出量与阀的开启程度密切相关，同时在调节阀上产生的作用力也会对其运动特性产生影响，所以需要在调节阀全开度范围内建立力均衡。3.3 执行机构类型的确定 在确定了执行器的输出功率之后，再按照工作环境的要求，对执行器进行选型。在现场有防爆要求的场合，必须选择气动执行器。为了节约能源，应该尽可能选择电动执行器。如果调整精度较高，可以选用液压驱动。例如火力发电厂透明机组的调速，炼油企业的催化设备的调速。3.4 调节阀的作用方式选择 只有当选择了气动执行器后，调节阀的作用模式才会出现，它的作用模式是由正、反两个执行器和两个阀的正、反两个动作相结合而构成。其中，正正（气关型）、正反（气开型）、反正（气开型）、反反（气关型）四种组合形式，由这四种组合构成的调节阀，可分为气开和气关两种。在选择调节阀动作模式时，应综合考虑三个因素：一是过程的安全性，二是介质的性质；c)在最少的经济损失的情况下确保产品的品质。4 结束语 与现场的实际需求相吻合，还需要进行大量的细致的工作。尤其要指出的是，调节阀的设计和选择，并不只是一个自动化仪器专业，它的设计选型与工艺专业有着很大的联系，所以在设计选型的时候，要积极主动地与工艺专业进行合作，才能得到更好的设计。作为一个自动化仪器专业，在进行工程设计的时候，需要尽量地将流程弄清楚，同时也要对各个生产流程对控制系统调节阀的具体需求有一个准确的把握，这3中国科技期刊数据库 工业 A 样才能判断它的可行性，从而将被动的设计变为积极的设计。在进行科学分析的基础上，对计算参数进行了合理的选取，然后对阀门进行了详细的设计和计算，最后对阀门进行了校核。有时候，还需要计算扭矩和推力。在设计结束后，对项目建设和试运行阶段进行工艺跟踪，以检验方案选择的合理性。同时，要密切联系生产一线人员，及时掌握阀门的工作状态，不断地吸取经验教训，改进设计工作。参考文献 1祁维军,胡彦文,杨一仁等.调节阀特性的优化和阀内件改造的探析J.氮肥与合成气,2023,51(10):12-15.2靳向东.仪表调节阀零泄漏方案分析与研究J.山西化工,2022,42(7):118-120.3张婷婷.浅析调节阀失效安全阀的泄放量确定J.山东化工,2022,51(17):187-189.4祁维军,胡彦文.调节阀使用与选型的思考J.流程工业,2022(2):39-41.5孙志强,王萌.气化工段调节阀优化选型与使用J.氮肥与合成气,2021,49(8):45-47.4