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给水调节阀的选型设计
发布时间:2019-09-10

    0 概述

    通过设计“神木化工”自备电厂机组,给水调节阀的设计,加深了对调节阀的认识,体会到了调节阀的重要性,在现代流程工业的自动控制系统中,调节阀起着十分重要的作用,工厂的生产取决于流动着的液体和气体的正确分配和控制。这些控制无论是能量的交换、压力的降低或者是简单的容器加料,都需要靠某些最终控制元件去完成。最终控制元件可以认为是自动控制的“手脚”。在调节器(DCS)的低能量级和执行流动控制所需的高能级功能之间,最终控制元件完成了必要的功率放大作用。

    调节阀是最终控制元件的最广泛使用的型式。在“神木化工给水调节阀项目”中也不例外,所有的调节控制回路中都是使用调节阀进行流量、液位、压力、温度控制。控制效果的好坏,调节阀工作寿命的长短,主要取决于调节阀的选型是否合理。合理的选型不但可实现优化控制、提高生产效率;还可延长阀门的使用周期,降低维护费用及生产成本。

    1 调节阀的结构及功能

    要正确使用调节阀,尤其是选择调节阀,必须首先弄清楚调节阀的结构及使用功能,做到有的方矢,方能选好所需的调节阀。

    1.1 调节阀的结构

    什么是调节阀?国际电工委员会IEC对调节阀做了定义:“工业过程控制系统中由动力操作的装置形成的终端元件,它包括一个阀体部件,内部有一个改变过程流体流率的组件,阀体部件又与一个或多个执行机构相连接。执行机构用来响应控制元件送来的信号。”可见,调节阀是由执行机构和阀体部件两部分组成,即:调节阀=执行机构+阀体部件。

    1.2 调节阀的功能

    调节阀的主要功能有:调节功能、克服压差功能、耐温功能、耐压功能、切断功能、耐蚀功能等。

    1.2.1 调节功能

    顾名思义,调节阀的首要功能就是调节,其主要表现在5个方面:

    1.2.1.1 流量特性

    流量特性是反映调节阀的开度于流量的变化关系,以适应系统的特性要求,如对流量调节系统反应速度快需对数特性;对温度调节系统反应速度慢,需线性流量特性。流量特性反映了调节阀的调节品质。

    1.2.1.2 可调范围R

    可调范围反映调节阀可控制的流量范围,用R=Qmax:Qmin之比表示,R越大,调节流量的范围越宽,性能指标就越好,通常阀的R=30。

    1.2.1.3 小开度工作性能

    有些阀受到结构的限制,小开度工作性能差,产生启跳、振荡,R变得很小(即Qmin很大),如双座阀、衬胶蝶阀。好的阀小开度应有微调功能,既可满足很小流量的调节,且工作又要求十分平衡,这类阀如V型球阀、偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀。

    1.2.1.4 流量系数Kv

    流量系数表示通过流量的能力,同口径Kv值越大越好。

    1.2.1.5 调节速度

    满足系统对阀动作的速度要求。

    1.2.2 克服压差功能

    它通常用阀关闭时的压差来表示,允许压差越大,此功能也就越好。如果考虑不周到,阀芯就会被压差顶开,造成阀关不到位,泄露量超标。因此,保证阀切断就必须克服阀关闭时的工作压差。

    1.2.3 耐温功能

    满足不同温度条件下阀的强度和性能,温度的较大变化会使阀体材质的强度降低,因此阀必须满足介质的温度变化范围的要求,使阀在工作温度下有较好的强度和安全保证。

    1.2.4 耐压功能

    它反映阀的强度和安全指标,即介质不能通过密封处和阀体缺陷处向外渗漏。出厂时通常用1.5倍公称压力作试验来检验。对高压介质最好是采用锻件结构,铸钢阀的耐压强度是最低的,通常选用的铸钢阀。

    1.2.5 切断功能

    切断由阀的泄漏量小于0.001%,它反映阀的内在质量。

    1.2.6 耐蚀功能

    抵抗介质的腐蚀和冲蚀,以提高阀的使用寿命。阀的腐蚀是由介质的化学性能引起的材质腐蚀问题,通常选用耐腐蚀的材料来解决,冲蚀是有高速流动的介质、含颗粒的介质和产生闪蒸被空化的介质所致。解决的途径是选用耐磨的材料,结构上采用反汽蚀、反冲蚀的措施,对高压阀、大压差工作的调节阀、含颗粒介质使用的调节阀需重点考虑此问题。

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    2 调节阀选型设计要点

    首先,根据工艺流程的调节需要,选择调节阀类型。其次,根据工艺参数计算阀门的Kv值,然后,根据计算出的Kv值和阀门系列具有的额定Kv值比较,从而决定阀门的额定Kv值与口径,然后还应进行相关验算,进一步验证所选阀门是否能满足工作要求。再次,是根据工艺条件选择阀体、阀盖、阀内件及填充材料。其四,是根据工艺参数选择机构及附件。

    2.1 调节阀类型选择

    阀的类型有:GLOBE调节阀、蝶形调节阀、旋转偏心调节阀、球形调节阀等,按执行机构的类型有:气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀。在“神木化工项目”中选择的是电动调节阀。

    2.2 调节阀的Kv值计算

    2.2.1 口径计算原理

    在流程工业中,每个工位的调节阀流量、介质、压差、温度等参数千差万别,而调节阀的流量系数又是在100KPa压差下,介质为常温水时测试的,怎样结合实际工作情况决定阀的口径呢?显然,不能以实际流量与阀流量系数比较(因为压差、介质等条件不同),而必须进行Kv值计算。把各种实际参数代入相应的Kv值计算公式中,算出Kv值,即把在不同的工作条件下所需的流量转化为该条件下所需要的Kv值,于是根据计算出的Kv值与阀门上的具有的额定Kv值比较,从而决定阀门的额定Kv值与口径,最后还应进行有关验算,进一步验证所选阀是否能满足工作要求。

    2.2.1.1 口径计算及验算步骤

    工艺提供的工艺数据表已经确认了计算口径所需的最大工作流量、正常工作流量和最小工作流量,入口压力、压差、入口温度等参数,按以下步骤进行计算:

    ①Kv值计算。由专门的计算软件进行计算,把工艺数据表确认的流量、入口压力,压差、入口温度及其他有关参数输入公式,就可计算出最大工作流量时的Kvmax。

    ②初步决定调节阀口径,根据已计算的Kvmax,在所选用的产品型式系列中,选取大于Kvmax并与其接近的一档Kv值,得出口径。

    ③开度验算。

    ④实际可调比验算,一般要求实际可调比应大于10。

    ⑤压差校验(仅从开度、可调比上验算还不行,这样可能造成阀关不死,启不动,故增加此项)。

    ⑥上述验算合格,所选阀口径合格。若不合格,需重新确定口径(及Kv值),或另选其他阀,再验算至合格。

    2.3 阀体、阀盖、阀内件及填料的选择

    2.3.1 阀体材料选择

    阀体材料选择要考虑3个因素:介质的腐蚀成分、温度、压力。介质的腐蚀性是选择阀体材料的关键,在《石油化工自动控制设计手册》和《石油化工自动仪表选型设计规范》中对于各种介质工况下,适合用什么样的材料已列出了表格,在设计时可对照查阅,如果有管道等级和管道材料等级表,也可从管道材料等级表中查找。温度是影响材料性能的有一关键因素;设计温度在-10~400℃的范围内,介质无腐蚀性工况下选用碳钢就可以,设计温度在-200~530℃的范围内,材料选用304(0Cr18Ni9)或316(0Cr17Ni12Mo2)不锈钢,并且能耐腐蚀性介质。压力的高低主要影响法兰的材料选择主要是综合考虑介质的腐蚀性、温度与压力条件而定。

    2.3.2 阀内件材料选择

    阀内件材料的选择除了要考虑介质的腐蚀成分、温度、压力外,还要考虑在液体条件下的闪蒸和汽蚀。选材方式跟阀体材料选择是一样的,但最低要求是不锈钢,在有闪蒸、汽蚀的条件下,要做特别考虑,表面需要堆焊耐闪蒸和汽蚀的材料(stellite6)或硬化处理。

    2.3.3 上阀盖选择

    上阀盖的材料与阀体材料一致。主要是上阀盖的形式选择与设计温度有关,设计温度在-46~200℃选用标准型上阀盖,设计温度范围在-196~-46℃选用长颈上阀盖,设计温度范围在200~530℃选用散热片型上阀盖。

    2.4 填料选择

    填料选择主要考虑温度条件,设计温度范围-25~200℃选用PTFE(聚四氟乙烯)V型填料,设计温度在-25~400℃选用柔性石墨+inconel填料,设计温度范围在-196~530℃选用纯石墨填料,设计温度范围在-196~200℃选用石墨+PTFE填料。如果有真空,填料要选用双向填充形式或石墨。

    3 结束语

    通过“神木化工项目”对调节阀的全程选型设计,从实践中体会到了调节阀在现代化工流程中的重要性。知道如何根据工艺条件及工艺数据选择阀的类型和阀体、阀芯、填料,如何计算Kv值及口径,计算执行机构的推力或转矩,以及选配其他附件,例如定位器、手轮、限位开关、电磁阀、保位阀、继动器、空气过滤减压器等。


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