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    [推荐]进口调节阀定位器选型 蒸汽系统调节阀选型

    蒸汽系统的调节阀选型
    在讨论蒸汽系统的调节阀的选型之前,有必要对蒸汽在换热应用中的一些特性做一下回顾。
    蒸汽以特定的压力供给至调节阀上游,通过调节阀进入换热器,换热器也工作于特定压力。
    蒸汽通过调节阀进入设备换热空间,同换热器表面接触。
    蒸汽在换热表面冷凝,产生冷凝水。
    冷凝水的体积比蒸汽的体积小很多,也就是说,当蒸汽冷凝后,蒸汽空间的压力下降。
    蒸汽空间压力下降会导致调节阀的上下游存在压差,蒸汽会从高压区(调节阀上游流向低压区(设备内的蒸汽空间),流量同压差成某种比例关系,与蒸汽冷凝的速率平衡。
    进入蒸汽空间的蒸汽量取决于压差和阀门的口径。在任何时候,如果通过阀门的蒸汽量小于蒸汽的冷凝量(可能阀门太小),换热器内的蒸汽压力和换热率会减小到要求值以下,换热器就无法满足所要求的热负荷。
    如果使用调节控制系统,当制程的温度接近控制器的设定值时,控制器会将阀门关小相应的量,
    因此会减小蒸汽的量来维持低热负荷下所需要的低压。(阀门的开启和关闭通常指的是“阀关小阀门会减小流量,蒸汽空间的压力和温度下降。这样蒸汽和制程之间的温差会减小,换热率门开度”的增加和减小;详细内容会在6.5节“进口调节阀特性”中介绍)。
    会降低,其关系如公式2.5.3所示。
       Q=UA/TM           公式2.5.3
    式中:
    Q=单位时间的换热量(W(J/s));
    U=总的换热系数(W/m2·℃);
    A=换热面积(m2);
    /TM=蒸汽和二次侧流体间的平均温差(℃)。
    总换热系数(U)不会有大的改变,面积(A)是固定的,因此如果平均温差(?TM)减小,从蒸汽侧到二次侧的换热量也会减少。
    饱和蒸汽流过调节阀
    换热器的制造商会按照一定的输出热量要求进行设计。为达到这个热量输出,在换热表面(如壳管式换热器的换热盘管内侧)需要一定的饱和蒸汽温度。对饱和蒸汽,温度和压力一一对应,因此通过控制蒸汽的压力就可以很简单实现温度控制。
    (和温度)相对较高。因此,为达到设计负载所需要的换热盘管相对较小。小了,所以通过阀门的压降会增大,进入换热盘管的蒸汽的压力(和温度)会降低。因此,为达到同样的热负荷所需要的换热面积会增加。换句话说,需要一个稍大一点的换热盘管或换热器。继续减小阀门的口径,相同流量的蒸汽通过调节阀的压降会更大,为了维持相同的热量输出需要进一步增加换热面积。
    假设调节阀前蒸汽的供汽压力是10 bar g,一定流量的蒸汽通过调节阀进入换热器。阀门处于全开状态(见图6.4.1)。
    如果安装的阀门是DN50,阀门处于全开状态,通过阀门的压降相对较小,供给换热器的蒸汽的压力现在考虑,一个DN40的阀门处于全开状态,通过与DN50阀门相同的流量。因为阀门的流通面积变
        不管阀门口径多大,当制程的需求量减小时,阀门必须从全开向关的位置调节。但是,在最初一段行程内调节作用比较小,阀门行程的变化百分比引起很小的流量的变化百分比。通常,10%的行程变化可能只引起5%的流量改变。行程更大时,当阀芯接近阀座时,5%的行程的改变可能会引起10%的流量的改变,可以得到比较好的调节。
        如果选择大的调节阀,可以看到控制作用小的起始行程部分会增大,而在全负载的时候的压降也比较小。当调节阀选得足够小的话,全负载的时候需要“临界压降”,这种行程的影响就会消失。临界压降会在下面的部分进行介绍。
        此外,如果选择大的调节阀,阀门流通面积增大,给定流量的改变需要的阀门行程的改变会比小口径调节阀要小。
        这样经常会引起控制不稳定,增加“振荡”的可能性,尤其是在负荷减小时。临界压力
        通过调节阀的质量流量会随着压差的增大而增加,直到达到“临界压力”状态。我们可以通过喷嘴的工作原理以及同调节阀的比较来进行解释。
        假设一个接近理想的小孔,如图6.4.2所示的渐缩渐扩喷嘴。如果按照上下游压力和供汽条件进行正确设计,其形状可以满足高效运行。
        当通过调节阀的压降大于临界时,在低压区由于大量的动能和热能之间瞬时转换而产生噪声,有时会由于超音速的蒸汽的存在加剧这种状况。
    阀门出口流速、噪声、冲蚀、干度和过热的影响
        在进行调节阀选型时,噪声是需要考虑的一个很重要的因素,不仅是因为它会增加声音等级,同时会产生振动损坏阀门的内部件。可以使用特殊设计的降噪阀内件来降低噪声,但是更加便宜的解决方法是安装一个稍大一点的阀门。计算进口调节阀产生的噪声的方程很复杂,很难进行人工计算。通常认为如果干饱和蒸汽在调节阀出口的流速大于0.3马赫数的话,产生的噪声将无法接受。声音在蒸汽中的流速取决于蒸汽的温度和品质,在条件已知的情况下用公式6.4.2来计算。(马赫数1=音速)
        因为是过热蒸汽,可以看到阀门出口流速小于0.5马赫数,因此DN32的阀体适合这个应用。
        对于其它的上游条件可以采用相同的步骤来确定下游蒸汽状态。例如,如果已经知道上游蒸汽是湿蒸汽,下游有可能为湿蒸汽、干饱和蒸汽或者过热蒸汽,具体是哪种状态取决于压降。允许的出口流速取决于蒸汽的状态,具体方法前面已经讲过,可以参考例6.4.20
    冲蚀:
        另外一个问题是由于阀门出口流速过高造成阀体的冲蚀。在例6.4.1中,由于干度和过热的影响,压力从12 bar g降到4 bar g时,蒸汽处于干燥的汽态,几乎不含任何水分,因此几乎可以不用考虑冲蚀带来的问题。
        简单来说,如果蒸汽离开调节阀的时候是过热的,那么出口流速的限定大约为250 m/so
        有时,当饱和蒸汽进入调节阀时会带有一定的水分,蒸汽的干度可能为97%或98%。如果蒸汽通过一个正确设计的汽水分离器,那么干度几乎能接近100%,如例6.4.1所示。
        如果压降不是很小,湿蒸汽可能会变成饱和干蒸汽或者带有一点过热度。
        如果进口蒸汽为干蒸汽,同时阀门的压降很大,(如例6.4.1中),蒸汽将产生很大的过热度。进口调节阀选型公式:
        调节阀将热能转换为动能的效率不如喷嘴高。蒸汽通过阀门进口、喉口、阀门出口,流道相对比较曲折。
        在调节阀中由于摩擦造成的能量损失远远大于喷嘴,而且由于:
      口阀体出口面积不太可能同下游蒸汽压力状态相匹配。
      口阀芯位置和阀座之间的关系是不断改变的。
        阀门出口通常可能出现湍流。
        这样看起来,不同型式的调节阀要达到临界流所需的压力降和上述喷嘴所需的值有所不同。由于通过阀座和喉口下游侧限流通道的存在,需要更大的压力降达到最大流量。球阀和蝶阀的外形使得一部分压力在喉口下游侧恢复,因此在比预期值更小的总压降下达到最大流量。
        将这些和其它评判条件考虑在内,可以使用更加复杂的选型公式,这些公式中包含多个标准。
        类似的标准之一是IEC 60534。遗憾的是这些计算太复杂,只能采用计算机软件计算;人工计算会显得相当冗长而且很慢。
        然而,当为关键制程应用选择调节阀时,这些软件是不可缺少的。例如,IEC 60534是用来设计计算调节阀的一些其它症状,如调节阀在高压降下产生的噪声水平。调节阀的供货商通常也用计算机选型软件来完成他们自己阀门的选型。
        但是,一个简单的蒸汽调节阀选型公式,如用于饱和蒸汽的等式3.21.2,可以很好地应用于大多数蒸汽应用中球形阀的选型。
        同时,如果考虑到临界压力发生在上游蒸汽绝对压力的58%的地方,球形阀不太可能会选小。
        为简化起见,在本章中假定饱和蒸汽的临界压力为上游绝对压力的58%0
        例如,如果调节阀上游的压力为10 bar a,通过阀门的最大流量为下游压力为:
                                                  10 bar a x 58%=5.8 bar a
        相应地,临界压力降为上游压力的42%,也就是说,压降率为0.42。如前文所述,一旦达到这个下游压力,压力的继续减小不再引起质量流量的增加。
    蒸汽系统的调节阀选型
        前面的部分介绍了选择调节阀的步骤,选型的基础是知道需要通过的流量、通过阀门的压降。从这些数据可以得到调节阀所需的Kvs值。参考相应的产品信息文档可以知道选择需要的调节阀的相关信息。
        调节阀选型需要知道其它几个因素。阀体材质的选择必须适合应用,阀体的材质选项有铸铁、球墨铸铁、青铜、钢、不锈钢和一些特殊应用中的特殊材质,例如钦合金。
    调节阀的设计和材质必须满足其安装的系统的压力。在欧洲,大部分阀门都有一个名义上的阀体压力等级用字母“PN”表示,它的实际意思是“公称压力”。温度越高,允许的压力就越低,典型的压力/温
    度限制曲线如图6.4.10所示。
        应该注意到,用来制造调节阀的材料在压力/温度曲线中起了很重要的作用。典型的限制条件是:
    12.一些特殊要求,例如,特殊填料选择、硬化的阀座和阀芯、达到紧密关闭的软阀座和其它等等。
        注:供货商通常会将调节阀的泄漏等级控制在一定范围内,有时也是国家标准的要求。见第17点。
    13.控制的具体要求。在第6.5节中会有详细的介绍。简单来讲,一个需要开/关(要么全开要么全关)控制的应用需要一个适合这种应用的阀门特性,而当应用需要连续控制(任意位置的开度控制)时,可能另一种不同特性的阀门会更加适合一点。
    14.执行器和控制的方式;例如,自作用、电动、气动、电气。
    15.噪声水平。如果有人在没有防护的状态下在此区域工作,通常需要将阀门1m处的噪声控制在85dbAo保持内部件同样大小,但是增大连接的口径可能可以实现这一点。(很多调节阀有缩小流量的阀芯选择,也可以选择降噪阀芯,也可以在阀门和管道上包上隔音材料。)对于苛刻的制程应用中的阀门应该使用计算机软件选型,采用IEC 60534标准或相应的国家标准。
    16.压降、阀体的口径和噪声水平互相联系,应该都要考虑到。按照经验,对饱和蒸汽需要将在阀体内的
        下游蒸汽流速控制在150m/s,对过热蒸汽控制在250m/s。可以通过增大阀体口径来实现,同时也可以减小阀门出口流速,减小噪声超标的可能性。如果在阀门进口处能保证为干饱和蒸汽的话,可以认为饱和蒸汽的出口流速在150m/s至200m/s以内。因为在这种情况下,由于减压作用干饱和蒸汽离开调节阀的时候是过热蒸汽。需要注意的是这些只是常用的一些数据,不同的标准有不同的参考值。
    17.泄漏和切断。进口调节阀是用来调节流量的而不是用来切断供汽,因此在全关的时候会有轻微的泄漏。调节阀按照标准的泄漏等级进行生产。总的来说,调节阀的关闭越紧密,价格就越高。对蒸汽调节阀来说,0.01%的泄漏率适合大多数的应用。
    18.调节比。通常表示为调节阀可能的最大流量与可以控制的最小流量之间的比值。
    19.控制调节比。通常表示为阀门最大可控制流量同最小可控制流量之间的比值。对蒸汽应用来说,50:1的控制调节比足以接受。
    20.如果不提到费用就结束本章是一个错误。阀门的类型、结构材料不同的设计和特殊要求不可避免地会产生费用的差别。最经济的方法是选择正确的阀门大小,而不要选型过大。

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