0 引言

溫度調(diào)節(jié)閥用以調(diào)節(jié)工藝生產(chǎn)中介質(zhì)的溫度，常使用氣動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)。薄膜式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)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(fā)生改變，從而控制閥口的開度。該類閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行調(diào)節(jié)范圍寬，穩(wěn)定性好，操作方便，因而在石油化工生產(chǎn)中廣為應(yīng)用。

圖1 薄膜調(diào)節(jié)閥原理

1 設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)

合理選擇薄膜閥的設(shè)計(jì)指標(biāo)是決定其運(yùn)行特性的根本因素，關(guān)鍵指標(biāo)包括：

1）閥開度系數(shù)。閥的開度系數(shù)又叫閥阻系數(shù)，常用S表示，其計(jì)算式可以表述為

S＝△P_f/∑△P。

式中：△P_f為閥上壓力降低量，MPa；∑△P為總壓力降低量，MPa。

2）調(diào)節(jié)比。用閥的最大流量和最小流量的比值來表征閥的調(diào)節(jié)范圍，稱為調(diào)節(jié)比R，其公式為

R=Q_max/Q_min

式中：Q_max為最大流量，m³/h；Q_min為最小流量m³/h。

3）壓縮系數(shù)。壓縮系數(shù)說明流體的壓縮比例，常用ε來表示，壓縮系數(shù)不僅與調(diào)節(jié)閥通道幾何形狀有關(guān)，而且與介質(zhì)的物理性質(zhì)有關(guān)，氣體壓縮系數(shù)為

式中：η為氣體修正系數(shù)；P_in為閥入口壓力，MPa。

4）通流能力。閥的通流能力C是閥設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)的關(guān)鍵指標(biāo)，也作為閥運(yùn)行特性的主要衡量指標(biāo)，對(duì)于氣體，當(dāng)P₂＞0.48P₁或△P＜0.52P₁時(shí)，通流能力為

當(dāng)P₂≤0.48P₁或△P≥0.52P₁時(shí)，通流能為為

式中：Q_max為最大流量，m³/h；P₁為閥前絕對(duì)壓力，MPa；P₂為閥后絕對(duì)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(shè)計(jì)指標(biāo)的選擇

目前我國生產(chǎn)的調(diào)節(jié)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(duì)于快開調(diào)節(jié)閥一般是應(yīng)用于兩位式調(diào)節(jié)和程序控制。本文重點(diǎn)研究直線特性和等百分比特性調(diào)節(jié)閥的計(jì)算與選型。

2.1 閥的控制特性選擇

從控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)出發(fā)選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性，希望控制回路的總放大系數(shù)，在控制系統(tǒng)的整個(gè)操作范圍內(nèi)保持不變。正確的選擇調(diào)節(jié)閥流量特性主要是選擇閥的放大系數(shù)的變化。若調(diào)節(jié)對(duì)象放大系數(shù)為線性時(shí)，調(diào)節(jié)閥采用線性工作特性；對(duì)于放大系數(shù)隨負(fù)荷干擾的加大而趨小的調(diào)節(jié)對(duì)象，宜采用等百分比特性閥。

表1列出常用控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥特性選擇表，供選擇時(shí)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(tǒng)調(diào)節(jié)閥特性選擇

2.2 閥阻選擇

1）一般情況選取。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)閥控制系統(tǒng)初步?jīng)Q定閥阻的大致范圍，結(jié)合閥控制特性的選擇，考慮配管情況對(duì)閥阻的影響，常根據(jù)表2來選擇閥阻S的大小。

表2 閥阻S特性選擇

在實(shí)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(shí)，工作特性曲線發(fā)生嚴(yán)重畸變而無法應(yīng)用調(diào)節(jié)。

選擇閥門的理想特性的關(guān)鍵是看S值大小，一般對(duì)調(diào)節(jié)閥的壓差選擇為占系統(tǒng)總壓差的30%～50%，即S=0.3～0.5為宜。

2）特殊情況選取：a.當(dāng)選用的調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在小開度時(shí)，宜用等百分比閥，直線閥則用小開度時(shí)，放大系數(shù)比較大，不便于微調(diào)，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(zhì)有懸浮物，以使用壽命為主要考慮條件時(shí)，采用直線閥較好，因它的閥芯曲面較瘦不易磨損；c.如調(diào)節(jié)系統(tǒng)非常穩(wěn)定，這時(shí)調(diào)節(jié)閥的行程變動(dòng)很小，故閥特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量無多大影響，可任意選用。

3）調(diào)節(jié)比選取。調(diào)節(jié)比的選取也即確定閥調(diào)節(jié)的最大流量和最小流量，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)閥的規(guī)格和承壓能力確定流量調(diào)節(jié)范圍。

4）壓縮系數(shù)的選擇。壓縮系數(shù)根據(jù)閥設(shè)計(jì)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(jì)算出壓縮系數(shù)值。

5）通流能力的計(jì)算。根據(jù)公式來計(jì)算所設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥的通流能力，按計(jì)算的通流能力，查閥設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(diào)節(jié)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(shè)計(jì)校驗(yàn)

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(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)選定的調(diào)節(jié)范圍R，計(jì)算最大通流能力C_max，驗(yàn)算最大流量時(shí)的開啟度，要求最大開啟度在90%即可。

對(duì)直線特性，開啟度為：

對(duì)等百分比特性，開啟度為

式中：R為調(diào)節(jié)范圍；C_max為計(jì)算最大通流能力；C_g為公稱通流能力。

4 結(jié)語

因?yàn)殚y門調(diào)節(jié)是在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的連續(xù)性調(diào)節(jié)，所以閥門設(shè)計(jì)很少考慮閥門控制需求的工藝指標(biāo)，而是根據(jù)閥門的承壓能力和接管需求；對(duì)閥門的控制性能是在閥門設(shè)計(jì)完成以后來進(jìn)行核算出來，成為閥門的性能指標(biāo)，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(diào)節(jié)很難控制。

本文從閥門控制的特性指標(biāo)出發(fā)，依據(jù)閥門設(shè)計(jì)壓力、控制特性、閥阻系數(shù)、流體壓縮特性、調(diào)節(jié)范圍和通流能力等工藝性能指標(biāo)，同時(shí)依據(jù)閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)，提出了一種全新的閥門設(shè)計(jì)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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