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氣動溫度薄膜調節閥設計
發布于：2019/7/30 9:58:27 點擊量：108
0 引言
溫度調節閥用以調節工藝生產中介質的溫度，常使用氣動或電動調節。薄膜式調節閥的結構原理如圖1所示。隨工藝物料（氣體或液體）的溫度變化，膜瓣上的壓力發生改變，從而控制閥口的開度。該類閥結構簡單，運行調節范圍寬，穩定性好，操作方便，因而在石油化工生產中廣為應用。
圖1 薄膜調節閥原理
1 設計的技術指標
合理選擇薄膜閥的設計指標是決定其運行特性的根本因素，關鍵指標包括：
1）閥開度系數。閥的開度系數又叫閥阻系數，常用S表示，其計算式可以表述為
S＝△Pf/∑△P。
式中：△Pf為閥上壓力降低量，MPa；∑△P為總壓力降低量，MPa。
2）調節比。用閥的最大流量和最小流量的比值來表征閥的調節范圍，稱為調節比R，其公式為
R=Qmax/Qmin
式中：Qmax為最大流量，m3/h；Qmin為最小流量m3/h。
3）壓縮系數。壓縮系數說明流體的壓縮比例，常用ε來表示，壓縮系數不僅與調節閥通道幾何形狀有關，而且與介質的物理性質有關，氣體壓縮系數為
式中：η為氣體修正系數；Pin為閥入口壓力，MPa。
4）通流能力。閥的通流能力C是閥設計與檢驗的關鍵指標，也作為閥運行特性的主要衡量指標，對于氣體，當P2＞0.48P1或△P＜0.52P1時，通流能力為
當P2≤0.48P1或△P≥0.52P1時，通流能為為
式中：Qmax為最大流量，m3/h；P1為閥前絕對壓力，MPa；P2為閥后絕對壓力，MPa；△P為閥上壓力降，MPa；γ為流體密度，kg/m3；T為工作溫度，℃。
2 設計指標的選擇
目前我國生產的調節閥有直線特性、等百分比特性和快開特性三種基本流量特性，對于快開調節閥一般是應用于兩位式調節和程序控制。本文重點研究直線特性和等百分比特性調節閥的計算與選型。
2.1 閥的控制特性選擇
從控制系統的調節品質出發選擇調節閥的流量特性，希望控制回路的總放大系數，在控制系統的整個操作范圍內保持不變。正確的選擇調節閥流量特性主要是選擇閥的放大系數的變化。若調節對象放大系數為線性時，調節閥采用線性工作特性；對于放大系數隨負荷干擾的加大而趨小的調節對象，宜采用等百分比特性閥。
表1列出常用控制系統調節閥特性選擇表，供選擇時參考。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 溫度控制系統調節閥特性選擇
2.2 閥阻選擇
1）一般情況選取。設計時要根據閥控制系統初步決定閥阻的大致范圍，結合閥控制特性的選擇，考慮配管情況對閥阻的影響，常根據表2來選擇閥阻S的大小。
表2 閥阻S特性選擇
在實際的管道安裝中，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，工作特性曲線發生嚴重畸變而無法應用調節。
選擇閥門的理想特性的關鍵是看S值大小，一般對調節閥的壓差選擇為占系統總壓差的30%～50%，即S=0.3～0.5為宜。
2）特殊情況選取：a.當選用的調節閥經常工作在小開度時，宜用等百分比閥，直線閥則用小開度時，放大系數比較大，不便于微調，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.如流通介質有懸浮物，以使用壽命為主要考慮條件時，采用直線閥較好，因它的閥芯曲面較瘦不易磨損；c.如調節系統非常穩定，這時調節閥的行程變動很小，故閥特性對調節質量無多大影響，可任意選用。
3）調節比選取。調節比的選取也即確定閥調節的最大流量和最小流量，設計時可以根據閥的規格和承壓能力確定流量調節范圍。
4）壓縮系數的選擇。壓縮系數根據閥設計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算出壓縮系數值。
5）通流能力的計算。根據公式來計算所設計調節閥的通流能力，按計算的通流能力，查閥設計手冊，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節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 設計校驗
在選定閥的公稱直徑、閥座直徑、閥芯行程和膜頭面積后，要根據已經設計選定的調節范圍R，計算最大通流能力Cmax，驗算最大流量時的開啟度，要求最大開啟度在90%即可。
對直線特性，開啟度為：
對等百分比特性，開啟度為
式中：R為調節范圍；Cmax為計算最大通流能力；Cg為公稱通流能力。
4 結語
因為閥門調節是在調節范圍內的連續性調節，所以閥門設計很少考慮閥門控制需求的工藝指標，而是根據閥門的承壓能力和接管需求；對閥門的控制性能是在閥門設計完成以后來進行核算出來，成為閥門的性能指標，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，閥門調節很難控制。
本文從閥門控制的特性指標出發，依據閥門設計壓力、控制特性、閥阻系數、流體壓縮特性、調節范圍和通流能力等工藝性能指標，同時依據閥門設計標準和設計手冊，提出了一種全新的閥門設計過程，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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