蒸汽系统中调节阀选型及应用

[关键字] 调节阀 阀芯特性 流通面积 等百分比 流量 CV值

中图分类号：N945文献标识码： A

[摘要] 随着企业自动化程度的不断提高，控制阀的选择及使用显得尤为重要。尤其是在蒸汽系统上的应用。控制阀的选型过程可以简单的分为以下几个步骤：根据实际工况条件(工艺参数),计算初始CV值,来确定阀门口径、材质、执行机构能力和控制系统要求的通信方式。

控制阀是世界上现代制造业里非常重要的流体控制元件。合理、正确的选型将为工业控制系统提高效率、保证生产安全、节约能源、提高经济效益。在生产现场，控制阀直接控制着工艺介质，有些介质成分比较复杂，尤其是高温、高压、易燃、易爆等特殊情况，若选择不当，往往给生产控制带来困难，以致调节质量下降，甚至造成严重的生产事故。在此仅以蒸汽系统上控制阀应用为例，来探讨控制阀的选型。下面根据自己的工作经验并结合相关资料，对蒸汽系统控制阀选型过程中应该注意的几个方面予以阐述。

根据工艺条件，选择合适的结构形式和材质

1、如何选择控制阀的型式

首先介绍一下控制阀的分类，控制阀也被称为调节阀。按驱动方式分可分为自力式和驱动式控制阀。按结构形式区分可以分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀。当然还有许多种别的分类方法。这些控制阀分别有各自的特点和适用场合。如控制阀前后压差较小，要求泄漏量较小，一般可选用单座阀；调节低压差、大流量的气体，可选用蝶阀；调节强腐蚀性流体，可选用隔膜阀；既要求调节又要求切断时，可选用偏心旋转阀；噪音较大时可选用套筒阀。这里由于我们只讨论蒸汽系统的控制阀选型。所以我们一般选用单阀座套筒型气动或者电动控制阀。

2、如何选择控制阀的材质  根据介质的工作压力、温度、腐蚀性、气蚀冲刷是否严重等选材。一般应选铸钢；使用要求不高时（120℃、1.6MPa以下）也可选用铸铁；高温（450--600℃）或低温（-60--250℃）场合应选用1Cr18Ni9Ti；高压（22-32MPa）场合应选用锻钢，1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti强腐蚀介质应选1Cr18Ni9Ti。二、根据工艺对象的特点，选择合适的流量特性  控制阀的流量特性是介质流过控制阀的相对流量与相对位移（控制阀的相对开度）间的关系，一般来说改变控制阀的阀芯与阀座的流通截面，便可控制流量。但实际上由于多种因素的影响，如在截流面积变化的同时，还发生阀前后压差的变化，而压差的变化又将引起流量的变化。在阀前后压差保持不变时，控制阀的流量特性称为理想流量特性；控制阀的结构特性是指阀芯位移与流体流通截面积之间的关系，它纯粹由阀芯大小和几何形状决定，与控制阀几何形状有关外，还考虑了在压差不变的情况下流量系数的影响，因此，控制阀的理想流量特性与结构特性是不同的。在实际生产应用过程中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性，因为控制阀往往和工艺设备串联或并联使用，流量因阻力损失的变化而变化，在实际工作中因阀前后压差的变化而使理想流量特性畸变成工作特性。调节阀的流量特性有等百分比特性、线性特性、抛物线特性及快开特性四种。下表是这四种的理想流量特性的对照表。

表二 常用流量特性曲线

（1）等百分比特性（对数）

  等百分比特性的相对行程和相对流量不成直线关系，在行程的每一点上单位行程变化所引起的流量的变化与此点的流量成正比，流量变化的百分比是相等的。所以它的优点是流量小时，流量变化小，流量大时，则流量变化大，也就是在不同开度上，具有相同的调节精度。

（2）线性特性（线性）

   线性特性的相对行程和相对流量成直线关系。单位行程的变化所引起的流量变化是不变的。流量大时，流量相对值变化小，流量小时，则流量相对值变化大。

（3）抛物线特性

   流量按行程的二方成比例变化，大体具有线性和等百分比特性的中间特性。 从上述三种特性的分析可以看出，就其调节性能上讲，以等百分比特性为最优，其调节稳定，调节性能好。我们可以根据实际使用场合的要求不同，挑选其中任何一种流量特性。但是，蒸汽系统中控制阀一般选择线性和等百分比流量特性。 

三、根据工艺操作参数，选择合理的控制阀尺寸  当我们选定了控制阀的类型和特性之后，就可进一步决定它的尺寸。流通能力是确定控制阀口径的重要依据，从工艺提供数据到算出流通能力，直到阀的口径确定，需经以下几个步骤：1、计算流量  根据现有的生产能力、设备负荷及介质状况来计算最大流量Qmax和最小流量Qmin。在计算Cv值时应按最大流量来考虑，但是最大流量考虑过多的余量时，使控制阀口径偏大；这不但造成经济上的浪费，而且更不利的是使控制阀经常工作在小开度，可调比减小，调节性能变坏，严重时甚至引起振荡，因而大大降低了阀的使用寿命。在选择最大流量时，应根据对象负荷的变化及工艺设备的生产能力来合理确定。对于调节质量高的场合，更应以现有的工艺条件来选择最大流量，但也要注意不能片面强调调节质量，以致当负荷变化以及当现有生产设备经过技改或扩建，当生产能力稍有提高，控制阀就不能适应，即需更换。也就是说，应当兼顾当前与今后在一定的范围内扩大生产能力这两方面的因素，然后合理的确定最大计算流量。2、阀前阀后压差  要使控制阀能起到调节作用，就必须在阀前后有一定的压差，阀上的压差占整个系统压差的比值越大，则调节流量特性的畸变就越小，调节性能就能得到保证，但是阀前后压差越大，即阀上的压力损失越大，所消耗的动力越多。因此必须兼顾调节性能和动力消耗，合理地计算压差。控制阀的前后压差ΔP主要是由其阀前压力P1减去阀后压力P2得到的。

这里必须注意，在确定计算压差时，要尽量避免气蚀和噪音。减小和防止气蚀，可以从以下几个方面考虑：

①压差。避免气蚀的最根本方法，是使控制阀的使用压差ΔP低于不产生气蚀的最大压差ΔPC。但要做到这一点比较困难。一般来说，当阀上压差ΔP

②材料。一般来说材料硬度越大强抗气蚀能力越强，由于气蚀往往发生在金属表面，可在阀芯、阀座、阀杆等处喷镀或堆焊一层硬质金属，这种方法叫表面硬化处理。采用的材料目前有司太莱合金、硬质工具钢、碳化钨等，其中以Stelite NO12应用最为广泛。经表面硬化处理后，以奥氏体不锈钢（SUS304、1Cr18Ni9Ti）为例，可提高耐气蚀10倍以上。3、流通能力Cv值的计算：

流通能力Cv是选择控制阀的主要参数之一，控制阀的流通能力的定义为：当调节阀全开时，阀两端压差为0.1MPa，流体密度为1g/cm3时，每小时流径调节阀的流量数，称为流通能力，也称流量系数，以Cv表示，单位为t/h，饱和蒸汽的Cv值按下式计算:

⑴ 低于临界流速，当 ΔP

Cv=Qmax/2.1

⑵ 临界流速，当 ΔP>=0.81（P1/2）

Cv=Qmax/1.633(P1)

目前有很多软件可以直接计算Cv值，这里我就不再详述具体计算过程。根据计算出的流通能力Cv值大小查控制阀厂家的对照表表，就可以确定调节阀的公称通径DN。

4、流通能力Cv值的选用：

根据已求得的Cv值，在所选用的产品型号标准系列中，选取大于Cv值并与其最接近的那一级的Cv值。5、控制阀开度验算：

一般要求最大计算流量时的开度在75%左右，最小计算流量时的开度不小于10%。控制阀的开度选择与噪音有很大关系。一般来说控制阀的噪音，来源于三个方向：振动噪音。这一类噪音由共振引起，有的表现为振动强烈噪音不大，有的振动弱噪音非常大，有的振动和噪音都很大。显然，消除共振，噪音自然就随之消失。液体动力学噪音。对控制阀来讲，空化是主要的液体动力学噪音源。空化气泡破损产生高速冲击，使其局部产生强烈喘流，形成空化噪音。这种噪音发出咯咯声，与流体中含有沙石发出的声音相似，应从防止或减小闪蒸、空化上采取措施。气体动力学噪音。当压缩流体通过控制阀的速度大于或等于音速时，便会产生强烈的噪音。速度越大，噪音将明显增大。避免气体动力学噪音的根本办法是限制控制阀节流速度，使之低于音速。所以我们选择控制阀的开度时应将开度控制在75%左右。如果最大开度过大，控制阀会产生过大噪音。最小开度，希望不小于10%，否则，阀芯阀座受流体冲蚀严重特性变坏，甚至失灵。四、根据阀杆受力的大小，选择足够推力的执行机构1、如何选择气动执行机构  选择气动执行机构时主要考虑以下几个因素：一般标准组合的控制阀所规定的允许误差是否满足工艺操作时阀上压降的要求。在大压差的情况下，一般要计算阀芯所受的不平衡力和执行机构的输出力，使其满足：    F≥1.1（Ft+F0）    F ：执行机构的输出力；Ft：阀芯所受不平衡力；F0：阀座紧压力，一般按全关时，2Mpa（或200N）估算。     

执行机构的响应速度是否满足工艺的操作要求。一般应优先选用薄膜执行机构，当薄膜执行机构不能满足上述两项要求时，应选用活塞执行机构。调节口径大或压差高时，可选用活塞执行机构。气动薄膜（有弹簧）执行机构的行程规格有10、16、25、40、60、100mm。薄膜有效面积有200、280、400、630、1000、1600cm2六种规格。有效面积越大，执行机构的位移和推力也越大，可按实际需要进行选择。2、如何选择电动执行机构直行程执行机构通常用来推动直通单座阀、双座阀、三通阀、角阀等，它直接安装在阀体上与阀杆连接。蒸汽系统中常用到得就是这种执行机构。选择一台合适的电动执行机构规格时必须考虑的主要因素就是力矩大小。大部分阀门厂商会将力矩参数提供给客户。这样就可以使用阀门厂商提供的配套数据表或选型软件进行选型。有时还需考虑阀门操作的速度和频率。部分小规格的直流电动执行机构可调节行程速度。

电动执行机构选型还需要根据现场工况确定选择哪种控制种类。主要的有以下2种：

①开关控制     自动控制阀最大的好处是可以远距离的操作阀门，这就意味着操作人员可以坐在控制室控制生产过程而不需要亲临现场去人工操作阀门的开和关。人们只需铺设一些管线连接控制室和执行机构，驱动能源通过管线直接激励电动或气动执行机构，通常用的4-20mA信号来反馈阀门的位置。 ②连续控制      如果执行机构被要求用于控制过程系统的液位、流量或压力等参数，这是要求执行机构频繁动作的工作，可以用4-20mA信号作为控制信号，然而这个信号可能会和过程一样频繁的改变。如果需要非常高频率动作的执行机构，只有选择特殊的能频繁启停的调节型执行机构。当一个过程中需要多台执行机构时，可以通过使用数字通讯系统将各个执行机构连接起来，这样可大大降低安装费用。数字通讯回路可以快速高效的传递指令和收集信息。目前有多种通讯方式如：FOUNDATIONFIELDBUS、PROFIBUS、DEVICENET、HART和专为阀门执行机构设计的PAKSCAN等。数字通讯系统不单单可以降低投资费用，它们还可以收集大量阀门信息，这些信息对于阀门的预测性维护程序非常有价值。 五、根据需要选择合适的辅助装置1、气动控制阀的辅助装置有：

阀门定位器：包括电气阀门定位器和气动阀门定位器，用于改善控制阀工作特性，实现正确定位。  阀位开关：显示控制阀上、下限的工作位置。  气动保位阀：气源故障时，保持控制阀当时的位置。  三通、四通电磁阀：实现气路的自动切换。  手轮机构：系统故障时，可切换进行手动操作。

空气过滤减压阀：作为气源过滤、减压之用。2、需要采用阀门定位器的场合： 

摩擦力大，需要精确定位的场合。例如高温、低温控制阀或采用柔性石墨填料的控制阀。缓慢过程需要提高控制阀响应速度的场合。例如，DN≥25mm的单座阀，DN>100mm的双座阀，阀两端压降ΔP>10MPa或入口压力P1>10MPa的场合。分程调节系统和控制阀运行时需要改变气开、气关的场合。需要改变流量特性的场合。调节器比例带很宽，但又要求阀对小信号响应时。采用无弹簧机构的控制阀，例如比例式气动活塞执行机构等。

六、密封填料的选择  此外还需考虑控制阀的外泄问题，注意密封垫片的选择。四氟填料，因为工作温度在-40-250℃范围内。当温度变化较大时，其密封性能变会明显下降，老化快，寿命短，柔性石墨填料可克服这些缺点，使用寿命长。但石墨填料的回差大，最初使用时会产生爬行现象，对这方面必须有所考虑。采用石棉板作密封垫片，在高温下，其密封性能较差，寿命也短，容易引起外泄；缠绕垫片、“O”形环在高温、高压下密封性能较好。

结束语：

控制阀选型实际中还会面临许多其他问题。这里仅仅以蒸汽系统作为例子粗浅介绍了控制阀的基本选型步骤和方法。实践证明控制阀选型不仅仅是计算出Cv值后对照表格选择阀体口径这么简单，而是需要结合实际应用场合多方面考虑。

[参考文献] 

1.房汝洲 . 《实用阀门设计手册》 . 中国知识出版社2006年4月出版 

2.詹姆斯 W·哈奇森 . 《控制阀手册》第二版 . 化学工业出版社.2005