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[摘 要] 介紹了自力式調(diào)節(jié)閥的工作原理及流量系數(shù)的計(jì)算方法,闡述了自力式調(diào)節(jié)閥的選型及注意事項(xiàng),給出了自力式調(diào)節(jié)閥在海洋石油平臺(tái)上的具體應(yīng)用實(shí)例。
自力式調(diào)節(jié)閥是一種無需外來能源 ,依靠被調(diào)介質(zhì)自身壓力、溫度或流量的變化,按預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制裝置,是一種節(jié)能型儀表。該閥集測量、執(zhí)行和控制等功能于一身,自成一個(gè)獨(dú)立的儀表控制系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單 、價(jià)格便宜和動(dòng)作可靠等特點(diǎn),適用于調(diào)節(jié)精度要求不高或儀表氣源供給困難的場合,廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、輕工等工業(yè)部門的自控系統(tǒng)。
自力式調(diào)節(jié)閥按用途分為壓力、差壓、液位、溫度和流量調(diào)節(jié)閥。其中以自力式壓力調(diào)節(jié)閥應(yīng)用最為廣泛 。本文就自力式壓力調(diào)節(jié)閥在海洋石油平臺(tái)上的選擇及注意事項(xiàng)等進(jìn)行闡述 。
1 自力式壓力調(diào)節(jié)閥的分類、原理及流量系數(shù)計(jì)算
1.1 自力式壓力調(diào)節(jié)閥的分類
根據(jù)作用形式的不同, 自力式調(diào)節(jié)閥分為直接作用式和指揮器作用式兩種。直接作用式調(diào)節(jié)閥適用于穩(wěn)壓精度 10%~20%的系統(tǒng)中。直接作用式調(diào)節(jié)閥最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)及操作簡單,但由于彈簧負(fù)載系統(tǒng)在調(diào)節(jié)閥運(yùn)行中引起壓降,導(dǎo)致出口壓力的非線性,因此 ,在壓降較小而要獲得大流量時(shí),必須使用另一種形式的調(diào)節(jié)閥一指揮器作用式的自力式調(diào)節(jié)閥。指揮器作用式調(diào)節(jié)閥適用于出口壓力變化范圍小于設(shè)定壓力l0%的系統(tǒng) 。氮封裝置就是其典型應(yīng)用之一。
自力式調(diào)節(jié)閥根據(jù)被調(diào)壓力取壓點(diǎn)的不同,又分為閥前壓力調(diào)節(jié)型 (簡稱 “背壓閥”) 和閥后壓力調(diào)節(jié)型(簡稱 “減壓閥”) 兩種 。背壓閥在初始狀態(tài)其閥芯為關(guān)閉位置 ,當(dāng)閥前壓力逐漸升高 ,閥門逐漸打開,直至閥前壓力穩(wěn)定在設(shè)定值:減壓閥在初始狀態(tài)其閥芯為開啟位置 ,當(dāng)閥后壓力逐漸升高,閥門逐漸關(guān)閉,直至閥后壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。
1.2 自力式壓力調(diào)節(jié) 閥原理
自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥,其閥芯初始位置在關(guān)閉狀態(tài) ,如圖1所示。閥前壓力P1經(jīng)閥芯、閥座節(jié)流后 ,變?yōu)殚y后壓力P2,同時(shí)P1經(jīng)過取壓管輸入至上膜室內(nèi)作用在膜片上,產(chǎn)生的作用力與彈簧的反作用力相平衡,決定了閥芯、閥座的相對位置,從而控制閥前壓力。
當(dāng)P1增加時(shí),P1作用于膜片上的力也隨之增加。 此時(shí)膜片上的作用力大于彈簧的反作用力 ,使閥芯向離開閥座的方向移動(dòng),這時(shí)閥芯與閥座之間的流通面積變大,流阻變小,P1向閥后泄壓 ,直到膜片上的作用力與彈簧反作用力相平衡為止,從而使P1降為設(shè)定值 。同理 ,P1降低時(shí),動(dòng)作方向與上述相反,這就是閥前壓力調(diào)節(jié)的工作原理。
圖1 閥前壓力調(diào)節(jié)閥原理圖
閥后壓力調(diào)節(jié)閥與閥前壓力調(diào)節(jié)閥的原理相同,但閥芯反裝??赏ㄟ^調(diào)節(jié)彈簧反作用力的大小來改變壓力設(shè)定值。流量特性一般為快開。
1.3 流量系數(shù)的計(jì)算
流量系數(shù)Kv(又稱流通能力) ,是調(diào)節(jié) 閥的重要參數(shù)之一。它反映流體通過調(diào)節(jié)閥的能力。根據(jù)實(shí)際計(jì)算出的流量系數(shù)Kv值的大小,選擇適合的額定流量系數(shù)Kvs就可以確定調(diào)節(jié)閥的公稱通徑。調(diào)節(jié)閥的額定流量系數(shù)Kvs是指 :在規(guī)定條件下,即閥的兩端壓差為100kPa,流體密度為lg/cm 時(shí),額定行程時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量,是以立方米每小時(shí)或噸每小時(shí)計(jì)的流量數(shù)。如果選擇的額定流量系數(shù)過大,就會(huì)使調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在小開度的工況下,既影響控制質(zhì)量,又會(huì)引起振蕩和噪音,縮短閥的使用壽命。相反,如果選擇的額定流量系數(shù)過小 ,則會(huì)使調(diào)節(jié)閥的開度過大,閥門處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),不能滿足流量要求,容易出現(xiàn)故障。
為 了合理選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸,必須正確計(jì)算調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv值。現(xiàn)以液體為例,簡要地給出Kv值的計(jì)算方法。
1.3.1 非阻塞流
式中:FL-壓力恢復(fù)系數(shù) ;FF -液體臨界壓力比系數(shù);PV -閥入口溫度下,介質(zhì)的飽和蒸汽壓(絕對壓力 ) ,kPa;pc-熱力學(xué)臨界壓力(絕對壓力),kPa ;qv-液體流量 ,m3/h ; ρ-液體密度 ,g/cm3 ;P1-閥前壓力 (絕對壓力) ,kPa;P2-閥后壓力(絕對壓力),kPa。
1.3.2 阻塞流
由式(5)可以看出,在阻塞流情況下,Kv值的計(jì)算公式與非阻塞流工況不同,壓差一項(xiàng)用FL2 (P1一FF Pv )代替實(shí)際壓差P1 -P2,比用實(shí)際壓差計(jì)算出的Kv值要大 ,即由于阻塞流的作用 ,閥的流通能力不能充分發(fā)揮出來 ,必須按更大的Kv值來選擇閥的口徑才能滿足流體流通的要求。
2 自力式壓力調(diào)節(jié)閥的選擇
2.1 口徑選擇的一般步驟
(1)根據(jù)生產(chǎn)能力、設(shè)備負(fù)荷等工藝參數(shù)確定最大流量和最小流量qvmax ,qvmin;
(2)根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)、壓力分配和管路壓損 ,確定最大壓差和最小壓差 △Pvmax, ,△Pvmin;
(3)按流量系數(shù)計(jì)算公式,分別計(jì)算出最大流量和最小流量時(shí)的流量系數(shù)Kvmax,Kvmin;
(4)根據(jù)計(jì)算出的Kvmax,在產(chǎn)品樣本中選取大于Kvmax ,并最接近Kvmax的Kvs值;
(5)根據(jù)計(jì)算出的Kvmax,Kvmin驗(yàn)算閥的開度(一般要求閥開度在10%~80%之間) ;
(6)根據(jù)Kvmax,Kvmin計(jì)算 出可調(diào)比R(一般要求R=Kvmax/Kvmin≤30:1) ;
(7)各項(xiàng)計(jì)算驗(yàn)證合格后,根據(jù)Kvs值,確定調(diào)節(jié)閥的口徑 。
2.2 選擇時(shí)的注意事項(xiàng)
自力式調(diào)節(jié)閥是 由機(jī)械方法組成的純 比例調(diào)節(jié)系統(tǒng),其調(diào)節(jié)精度不高 ,只適用于調(diào)節(jié) 品質(zhì)要求不高的場合;
(1)自力式調(diào)節(jié)閥主要應(yīng)用在被控參數(shù)一旦調(diào)定后,不經(jīng)常改變 (調(diào)整 ) 的場合 ,而被控參數(shù)經(jīng)常改變 (調(diào)整 ) 的場合 ,應(yīng)使用氣動(dòng)或 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。一般直接作用型調(diào)節(jié) 閥其設(shè)定值允許偏差為±8 %,帶指揮器作用式調(diào)節(jié)閥其設(shè)定值允許偏差±4 % 左右。若超 出設(shè)定彈簧的允許調(diào)壓值,為達(dá)到原設(shè)定值要求,則必須通過更換設(shè)定彈簧 的辦法才可實(shí)現(xiàn),這需送回生產(chǎn)廠才能完成 。
(2)選用允許壓差時(shí),應(yīng)注意到自力式調(diào)節(jié)閥的允許壓差值小的特點(diǎn)。
(3)自力式壓力調(diào)節(jié)閥一般應(yīng)用在非腐蝕性工藝條件下,若在腐蝕性介質(zhì)場合應(yīng)用要特別慎重。
(4)自力式調(diào)節(jié)閥應(yīng)用在黏度較高的介質(zhì)場合時(shí)應(yīng)慎重,高黏度的介質(zhì)不宜使用。
(5)設(shè)定壓力不應(yīng)超過或接近所選擇閥門許可的調(diào)整范圍的極限值,留有一定的余量。
(6)注意調(diào)節(jié)精度的要求。一般情況下,自力式調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度低于氣動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,對調(diào)節(jié)精度要求較高的地方場合不宜采用自力式調(diào)節(jié)閥。
(7)在工程設(shè)計(jì)和采購過程中要注意區(qū)分自力式調(diào)節(jié)閥是背壓閥還是減壓閥。一旦將背壓閥和減壓閥弄反,將無法正常使用,只能重新采購。
(8)注意自力式調(diào)節(jié)閥的開度要求。一般情況下,設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注調(diào)節(jié)閥的開度 要求而忽略了對自力式調(diào)節(jié)閥的開度要求 。采購中應(yīng)要求廠家在計(jì)算書中給出自力式調(diào)節(jié)閥在最小、正常 、最大工況下的開度 。閥的開度一般在10 %~80 %之間為宜。
3 自力式壓力調(diào)節(jié)閥在海洋石油平臺(tái)上的應(yīng)用自力式 調(diào)節(jié) 閥與普 通調(diào) 節(jié) 閥相 比有 許 多差異 ,但這些差異并不影響在海洋石油平臺(tái)上的使用。海洋石油平臺(tái)上生產(chǎn)過程壓力、溫度不高(1.0 MPa,100℃以下) ,介質(zhì)黏度不大(2×10-4㎡/s以下) ,控制精度要求不高(一般±10%) ,自力式調(diào)節(jié)閥完全可以滿足生產(chǎn)需要。
自力式調(diào)節(jié) 閥在海洋石油平臺(tái)已有十幾年的成功的應(yīng)用歷史,典型應(yīng)用在公用、儀表氣系統(tǒng)的壓力控制;穩(wěn)定消防泵出口壓力中的應(yīng)用;氮封系統(tǒng)中應(yīng)用等 。
3.1 自力式調(diào)節(jié)閥在公用氣系統(tǒng)中的應(yīng)用
圖2自力式調(diào)節(jié)閥在公用氣系統(tǒng)中的應(yīng)用
自力式調(diào)節(jié)閥在公用氣系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖2所示 ,為一個(gè)背壓閥和減壓閥的組合 ,其功能是將公用氣罐出來的公用氣穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi),海上平臺(tái)常取500~800 kPaG 。
3.2 自力式調(diào)節(jié)閥在消防泵出口的應(yīng)用
為 了維持消防泵出口壓力的穩(wěn)定 ,給下游消防管網(wǎng)一個(gè)相對穩(wěn)定的海水供應(yīng),在消防泵的出口往往設(shè)有自力式壓力調(diào)節(jié)閥,如圖3所示。
圖3自力式調(diào)節(jié)閥在消防泵出口的應(yīng)用
3-3 自力式調(diào)節(jié) 閥在氮封系統(tǒng)中的應(yīng)用
使用氮封裝置的目的主要是用于維護(hù)儲(chǔ)罐頂部氮?dú)鈮毫Φ暮愣?,以保護(hù)罐 內(nèi)物料不被氧化及儲(chǔ)罐安全 。此應(yīng)用對自力式調(diào)節(jié) 閥的調(diào)節(jié)精度要求相對較高 ,一般需要配置帶有指揮器作用式的自力式調(diào)節(jié)閥。 自力式調(diào)節(jié)閥在海洋石油平臺(tái)中的應(yīng)用還有很多,在此不一一贅述。
4 結(jié)束語
自力式調(diào)節(jié)閥無須外加驅(qū)動(dòng)能源、結(jié)構(gòu)簡單、工程造價(jià)低、使用維護(hù)方便 ,在石油行業(yè) 中得到了廣泛應(yīng)用 ,尤其是在動(dòng)力源配置困難的簡易井口平臺(tái)。對于那些對調(diào)節(jié)精度要求不高的場合 ,綜合考慮工程造價(jià)、操作維修及運(yùn)行成本等因素,自力式調(diào)節(jié)閥實(shí)為一種良好的控制設(shè)備。
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