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化工自动控制过程中气动调节阀的选择与应用

化工自动控制过程中气动调节阀的选择与应用
前言

     在化工生产和自动控制领域中,一个工艺控制过程是否能满足各项工艺控制指标,控制过程是否平稳;超调量,衰减比,扰动是否在规定的范畴之内;是否稳、快、准,除了工艺设计合理,设备先进外,重要的一点就是调节阀是否能根据主体控制意识而准确动作,使过程主体的控制意识体现为物料能量和流量精确变化,如图1所示。

典型过度过程控制曲线图 


     在众多的化工
自动控制过程中,就是因调节阀质量不过关,流量特性差,渗漏大,动作不可靠而使自动控制过程失去了高品质调节,或者调节品质差,有甚者失去了调节作用,而给生产带来了重大的经济损失,增加了劳动强度。调节阀的选择与应用越来越被人们所重视。

      2气动调节阀的流量特性

      2.1调节阀的可调比

     我们用可调比来衡量调节阀的调节控制能量,当调节阀两侧的差压为定值时,调节阀所能控制的最大流量qmax和最小流量qmin之比,或所能控制的最大流通能力Cmax和最小流通能力Cmin之比,称为调节阀的可调比R。

     R=qmax/qmin=Cmax/Cmin                          (1)

      2.2压降比s对串联、并联管路调节阀的影响

      2.2.1压降比S

     调节阀的压降比定义为该调节阀可控制的最大流量所对应阀门前后的差压△Pmin和系统总差压△P之比:

      S=△Pmin/△P                                             (2)

      2.2.2 S对串联管路中调节阀的影响

      当调节阀用于串联管路时,实际的可调比为: ,如图2、图3所示。

图2 调节阀串联

调节比影响 

图3 S对串联管路可调节比影响

     图4、图5为直线阀和等百分比阀在串联管路中随S畸变特性。

直线阀随S畸变特性 

图4 直线阀随S畸变特性

等百分比特性随S畸变特性  

图5 等百分比特性随S畸变特性

 

     当调节阀用于并联管路时,该并联管路总管流量qt分为两路:一路是调节阀控制流量qc,另一路是旁路流量qB,qt=qc+qB。实际上,由于旁路流量的分流,调节阀的实际可调比下降了,旁路阀门开得越大,调节阀的控制能力越小。旁路程度恰好说明了这个问题。旁路程度x为 

      x=调节阀全开时流过调节阀的流量/系统总管的最大流量X100%≤1      (3)

     调节阀在并联管路中实际可调比随着旁路程度x值的减小而迅速降低,在使用中应尽量不开旁路门。如图6,图7所示。

调节阀并联作用  

图6 调节阀并联作用

对实际可调比的影响旁路程度  

图7 x对实际可调比的影响旁路程度

  图8、图9为关联管路中直线阀、等百分比阀随X畸变特性。

四种调节阀理想流量特性 

图8 X对直线阀畸变特性

对等百分比阀畸变特性  

图9 X对等百分比阀畸变特性

      2.3调节阀的流量特性

      2.3.1调节阀的理想流量特性

  调节阀的理想流量特性是指被调介质流过调节阀相对流量与阀门相对开度之产的关系。在调节阀前后压差不变的条件下,其流量特性是理想流量特性。常用的调节阀的理想流量特性有直线、等百分比、快开特性和抛物线四种特性,如图10所示。

四种调节阀理想流量特性 

图10 四种调节阀理想流量特性

  相对流量:qr=q/qmaxX100%         (4)    

  相对开度:ur=l/LX100%                 (5)

      其中有:
      q———在某一开度时刻通过调节阀的流量;  
      qmax—阀全开时通过阀门的流量;
    l———阀门某一开度下的行程(mm);
      L———阀门的全行程(mm)。

      2.3.2 调节阀的工作流量特性

  在实际生产中管道系统除了调节阀外还有其它的串联或并联管道。因此,在生产中调节阀前后的差压通常是变化的,在这种情况下相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性,如表1所示。

表1 调节阀特性 

线性阀
等百分比阀
抛物线阀

(1)      在小开度时流量变化大,而大开度流量变化小。

(2)      小负荷时调节性能过于灵敏而产生振荡,大负荷时,调节迟缓而不及时。

(3)      适用性较小。

(1)      每改变单位行程引起的流量变化的百分率是相等的。

(2)      使用等百分比调节阀在全行程范围内工作都比较平稳,尤其在大开度时,放大倍数也大,工作更为灵敏有效。

(3)      应用广泛,适应性强。

(1)      其特性介于线性和等百分比特性之间,即是一条抛物线,即流量与行程的平方成正比。

(2)      调节性能较为理想,但阀芯加工制作比较困难。


     3 调节阀的流通能力

  所谓调节阀的流通能力C是指调节阀全开时,单位时间内通过调节阀的流体体积和质量,它反映了调节阀的流量特性。C值在一定的条件下可定义为:在调节阀前后差压为100KPa,水的密度为100kg/m3的条件下,每小时通过阀门水的立方米数。部分国产调节阀流通能力C值如表2所示。

  表2部分国产调节阀流通能力C值

公称直径

Dg(mm)
阀门直径Dg(mm)
流通能力(m3/h)

公称直径

Dg(mm)
阀门直径Dg(mm)
流通能力(m3/h)
 
 
单座阀
双座阀
 
 
单座阀
双座阀
G3/4"
3
0.08
 
25
26
8
10
4
0.12
 
32
32
12
16
5
0.2
 
40
40
20
25
6
0.32
 
50
50
32
40
7
0.5
 
65
66
50
63
8
0.8
 
80
80
80
100
 
 
 
 
100
100
120
160
 
 
 
 
125
125
200
250
20
10
1.2
 
150
150
280
400
12
2
 
200
200
450
630
15
3.2
 
250
252
 
1000
20
5
 
300
303
 
1600

     4 气动调节阀的选用

     4.1调节阀类型的选择

     主要是根据现场被控工艺介质的特点、控制要求、安装环境等结合调节阀本身的流量特性和结构而进行选用,如表3所示。

表3 调节阀应用特性 

直通单座阀
直通双座阀
角形阀
蝶阀
隔膜阀
阀体分离阀
三通阀
凸轮挠曲阀
套筒阀
结构简单,装配方便,泄漏小,但受流体冲击不平衡力大.适用于小口径Dg≤25mm的场合。
受流体冲击不平衡力影响小,但关为严渗漏较大,适用于大口径管道的场合。
角形阀的阀体受流体的冲击小,体内不易结污,对粘度高、有悬浮物的颗粒物的流体尤为适用,并且调节稳定性较好。
流阻小,适用于低差压大流量的气体及含有固体悬浮物的介质,通常流量特性与等百分比相似。
用于强腐蚀性粘度高带纤维的介质,但不耐高温和高压。
用于强腐蚀介质,但不耐高压和高温。
适用于介质三个方向的流通。分三通合流阀和三通分流阀。对于三个系统的分合流控制非常有效。属新型结构阀。
属新型结构阀,阀体为直通型阀阻小密封性好,可调节,通用性强,对于粘度大如泥浆、石灰介质的调节非常有效。
新型结构阀,不平衡力小,可调性能好,通用性强,因维护方便面而广泛用于生产之中,特别严重是高温高粘度,含颗粒结构的介质调节。


     在选用调节阀时还应考虑上阀盖的形式和所用的填料。当使用工作温度为-20~+250℃时,只需采用普通的结构;当工作温度为-60~+450℃应采用阀盖上有多层散热片的散热结构。还有波纹管的波纹室封密阀盖主要用于剧毒、易挥发、易渗透等重要介质的场合。

     调节阀常用的密封填料有聚四氟乙烯和石棉绳填料,虽然前者比后者昂贵但密封效果却好得多。

     气开、气关式调节阀的选择应根据当气源信号压力中断时,调节阀处于打开或关闭的位置对工艺生产造成危害性上则选用气并式。动作过程:有气则关闭,无气则开启;若阀门处于关闭位置时危害性小则选用气开式,动作为有气则开,无气则关。

     4.2调节阀口径的选择

     利用计算公式及有关的物质性图表计算出常用的流通能力C值,如表4所示。

  表4 调节阀C值计算表

     调节阀口径的选择遵循以下原则:

    (1)根据所选择C值和流量特性,验证调节阀开度是否合适。一般阀的开度为全行程的90%~10%,即验算

     Cmax/C≤90% 

     Cmin/C≥10%

     其中:Cmax—工艺提出的最大流通能力;Cmin—工艺提出的最小流通能力。

     (2)验算工艺所要求的最大流量与最小流量的比值是否小于调节阀的实际可调范围内,即验算

     R实 =

     其中:
     Qmax—最大开度的流量;  
      Qmin—最小开度的流量; 
      △Pmax—最大开度时调节阀的压差值。
     △Pmin—最小开度时调节阀的压差值。

     (3)一般情况下,等百分比阀最大流量对应的开度宜在90%,直线阀宜在70%,抛物线阀宜在80%,见表5。

表5 调节阀相对开度与相对流量的关系 

U%
Qr%
特性
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
直线
8.16
13
22.7
32.3
42.0
51.7
61.3
71.0
80.6
90.4
100
等百分比
3.96
4.67
6.58
9.26
13.0
18.3
25.6
36.2
50.8
71.2
100
抛物线
 
7.3
12.0
13.0
26.0
35.0
45.0
62.0
70.0
84.0
100


流体
压差条件
计算公式
采用单位
液体

 

 

Q:体积流量m3/h

M:质量流量 kg/h

△P:阀门前后压差  KPa

ρ:液体密度Kg/cm3
气体

一般气体

P2<0.5P1

P2≤0.5P1

    

QN:体积流量m3/h

ρN:液体密度Kg/cm3

T:阀前气体绝对温度K

△P:调节阀门前后压差  KPa

P1、P2:调节阀前后压力  KPa

高压气体

P2<0.5P1

P2≤0.5P1



Z:气体的压缩因素,可查有关图表
蒸汽

饱和蒸汽

P2<0.5P1

P2≤0.5P1


C=137.29Ms/KP1

M:蒸汽的质量流量 kg/h

△P:阀门前后压差值  KPa

P1、P2:调节阀前后压力  KPa

K:蒸汽修正系数

过热蒸汽

P2<0.5P1

P2≤0.5P1


C=[7.11M(1+0.0013△t)]/P1
△t:过热蒸汽温度℃

      2.2.3 S对并联管路中调节阀的影响

作者:高进

 

来源:互联网

 

 

 

 

 

 

 

 

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