气动温度薄膜调节阀的设计研究 -行业资讯

0 引言

温度调节阀用以调节工艺生产中介质的温度，常使用气动或电动调节。薄膜式调节阀的结构原理如图1所示。随工艺物料（气体或液体）的温度变化，膜瓣上的压力发生改变，从而控制阀口的开度。该类阀结构简单，运行调节范围宽，稳定性好，操作方便，因而在石油化工生产中广为应用。

图1 薄膜调节阀原理

1 设计的技术指标

合理选择薄膜阀的设计指标是决定其运行特性的根本因素，关键指标包括：

1）阀开度系数。阀的开度系数又叫阀阻系数，常用S表示，其计算式可以表述为

S＝△P_f/∑△P。

式中：△P_f为阀上压力降低量，MPa；∑△P为总压力降低量，MPa。

2）调节比。用阀的**流量和*小流量的比值来表征阀的调节范围，称为调节比R，其公式为

R=Q_max/Q_min

式中：Q_max为**流量，m³/h；Q_min为*小流量m³/h。

3）压缩系数。压缩系数说明流体的压缩比例，常用ε来表示，压缩系数不仅与调节阀通道几何形状有关，而且与介质的物理性质有关，气体压缩系数为

式中：η为气体修正系数；P_in为阀入口压力，MPa。

4）通流能力。阀的通流能力C是阀设计与检验的关键指标，也作为阀运行特性的主要衡量指标，对于气体，当P₂＞0.48P₁或△P＜0.52P₁时，通流能力为

当P₂≤0.48P₁或△P≥0.52P₁时，通流能为为

式中：Q_max为**流量，m³/h；P₁为阀前**压力，MPa；P₂为阀后**压力，MPa；△P为阀上压力降，MPa；γ为流体密度，kg/m³；T为工作温度，℃。

2 设计指标的选择

目前我国生产的调节阀有直线特性、等百分比特性和快开特性三种基本流量特性，对于快开调节阀一般是应用于两位式调节和程序控制。本文重点研究直线特性和等百分比特性调节阀的计算与选型。

2.1 阀的控制特性选择

从控制系统的调节品质出发选择调节阀的流量特性，希望控制回路的总放大系数，在控制系统的整个操作范围内保持不变。正确的选择调节阀流量特性主要是选择阀的放大系数的变化。若调节对象放大系数为线性时，调节阀采用线性工作特性；对于放大系数随负荷干扰的加大而趋小的调节对象，宜采用等百分比特性阀。

表1列出常用控制系统调节阀特性选择表，供选择时参考。表选出的是阀的工作特性，还要参考配管情况即S值来确定阀本身的理想特性。

表1 温度控制系统调节阀特性选择

2.2 阀阻选择

1）一般情况选取。设计时要根据阀控制系统初步决定阀阻的大致范围，结合阀控制特性的选择，考虑配管情况对阀阻的影响，常根据表2来选择阀阻S的大小。

表2 阀阻S特性选择

在实际的管道安装中，S值不可能等于1，而往往要低到0.3～0.6左右，S值<0.3以下时，工作特性曲线发生严重畸变而无法应用调节。

选择阀门的理想特性的关键是看S值大小，一般对调节阀的压差选择为占系统总压差的30%～50%，即S=0.3～0.5为宜。

2）特殊情况选取：a.当选用的调节阀经常工作在小开度时，宜用等百分比阀，直线阀则用小开度时，放大系数比较大，不便于微调，而且易引起振荡并加剧阀芯阀座间的磨损，破坏阀的密封性；b.如流通介质有悬浮物，以使用寿命为主要考虑条件时，采用直线阀较好，因它的阀芯曲面较瘦不易磨损；c.如调节系统非常稳定，这时调节阀的行程变动很小，故阀特性对调节质量无多大影响，可任意选用。

3）调节比选取。调节比的选取也即确定阀调节的**流量和*小流量，设计时可以根据阀的规格和承压能力确定流量调节范围。

4）压缩系数的选择。压缩系数根据阀设计选定的**压降和**流量来选择，可以用**压降和**流量来计算出压缩系数值。

5）通流能力的计算。根据公式来计算所设计调节阀的通流能力，按计算的通流能力，查阀设计手册，选定阀的公称直径、阀座直径、阀芯行程和膜头面积。表3列出了部分直通单座调节阀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值及允许泄漏量

说明：DN为阀公称直径；d为阀座直径；H为行程；A为膜头**面积；Cg为公称通流能力。

3 设计校验

在选定阀的公称直径、阀座直径、阀芯行程和膜头面积后，要根据已经设计选定的调节范围R，计算**通流能力C_max，验算**流量时的开启度，要求**开启度在90%即可。

对直线特性，开启度为：

对等百分比特性，开启度为

式中：R为调节范围；C_max为计算**通流能力；C_g为公称通流能力。

4 结语

因为阀门调节是在调节范围内的连续性调节，所以阀门设计很少考虑阀门控制需求的工艺指标，而是根据阀门的承压能力和接管需求；对阀门的控制性能是在阀门设计完成以后来进行核算出来，成为阀门的性能指标，这种阀门在满足工艺需求和控制特性上存在不足，常常是控制特性不匹配，阀门调节很难控制。

本文从阀门控制的特性指标出发，依据阀门设计压力、控制特性、阀阻系数、流体压缩特性、调节范围和通流能力等工艺性能指标，同时依据阀门设计标准和设计手册，提出了一种全新的阀门设计过程，使得阀门控制特性相互匹配，更好地满足工艺控制需求。