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分享:自力式壓力調節(jié)閥的選擇及在海洋石油平臺上的應用
發(fā)布于：2021/4/15 10:06:57 點擊量：500
[摘 要] 介紹了自力式調節(jié)閥的工作原理及流量系數的計算方法，闡述了自力式調節(jié)閥的選型及注意事項，給出了自力式調節(jié)閥在海洋石油平臺上的具體應用實例。
自力式調節(jié)閥是一種無需外來能源 ，依靠被調介質自身壓力、溫度或流量的變化，按預先設定值進行自動調節(jié)的控制裝置，是一種節(jié)能型儀表。該閥集測量、執(zhí)行和控制等功能于一身，自成一個獨立的儀表控制系統，具有結構簡單 、價格便宜和動作可靠等特點，適用于調節(jié)精度要求不高或儀表氣源供給困難的場合，廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、輕工等工業(yè)部門的自控系統。
自力式調節(jié)閥按用途分為壓力、差壓、液位、溫度和流量調節(jié)閥。其中以自力式壓力調節(jié)閥應用最為廣泛 。本文就自力式壓力調節(jié)閥在海洋石油平臺上的選擇及注意事項等進行闡述 。
1 自力式壓力調節(jié)閥的分類、原理及流量系數計算
1．1 自力式壓力調節(jié)閥的分類
根據作用形式的不同， 自力式調節(jié)閥分為直接作用式和指揮器作用式兩種。直接作用式調節(jié)閥適用于穩(wěn)壓精度 10％～20％的系統中。直接作用式調節(jié)閥最大的優(yōu)點是結構及操作簡單，但由于彈簧負載系統在調節(jié)閥運行中引起壓降，導致出口壓力的非線性，因此 ，在壓降較小而要獲得大流量時，必須使用另一種形式的調節(jié)閥一指揮器作用式的自力式調節(jié)閥。指揮器作用式調節(jié)閥適用于出口壓力變化范圍小于設定壓力l0％的系統 。氮封裝置就是其典型應用之一。
自力式調節(jié)閥根據被調壓力取壓點的不同，又分為閥前壓力調節(jié)型 (簡稱 “背壓閥”) 和閥后壓力調節(jié)型(簡稱 “減壓閥”) 兩種 。背壓閥在初始狀態(tài)其閥芯為關閉位置 ，當閥前壓力逐漸升高 ，閥門逐漸打開，直至閥前壓力穩(wěn)定在設定值：減壓閥在初始狀態(tài)其閥芯為開啟位置 ，當閥后壓力逐漸升高，閥門逐漸關閉，直至閥后壓力穩(wěn)定在設定值。
1．2 自力式壓力調節(jié) 閥原理
自力式閥前壓力調節(jié)閥，其閥芯初始位置在關閉狀態(tài) ，如圖1所示。閥前壓力P1經閥芯、閥座節(jié)流后 ，變?yōu)殚y后壓力P2，同時P1經過取壓管輸入至上膜室內作用在膜片上，產生的作用力與彈簧的反作用力相平衡，決定了閥芯、閥座的相對位置，從而控制閥前壓力。
當P1增加時，P1作用于膜片上的力也隨之增加。 此時膜片上的作用力大于彈簧的反作用力 ，使閥芯向離開閥座的方向移動，這時閥芯與閥座之間的流通面積變大，流阻變小，P1向閥后泄壓 ，直到膜片上的作用力與彈簧反作用力相平衡為止，從而使P1降為設定值 。同理 ，P1降低時，動作方向與上述相反，這就是閥前壓力調節(jié)的工作原理。
圖1 閥前壓力調節(jié)閥原理圖
閥后壓力調節(jié)閥與閥前壓力調節(jié)閥的原理相同，但閥芯反裝。可通過調節(jié)彈簧反作用力的大小來改變壓力設定值。流量特性一般為快開。
1．3 流量系數的計算
流量系數Kv(又稱流通能力) ，是調節(jié) 閥的重要參數之一。它反映流體通過調節(jié)閥的能力。根據實際計算出的流量系數Kv值的大小，選擇適合的額定流量系數Kvs就可以確定調節(jié)閥的公稱通徑。調節(jié)閥的額定流量系數Kvs是指 ：在規(guī)定條件下，即閥的兩端壓差為100kPa，流體密度為lg／cm 時，額定行程時流經調節(jié)閥的流量，是以立方米每小時或噸每小時計的流量數。如果選擇的額定流量系數過大，就會使調節(jié)閥經常工作在小開度的工況下，既影響控制質量，又會引起振蕩和噪音，縮短閥的使用壽命。相反，如果選擇的額定流量系數過小 ，則會使調節(jié)閥的開度過大，閥門處于超負荷運行狀態(tài)，不能滿足流量要求，容易出現故障。
為 了合理選擇調節(jié)閥的尺寸，必須正確計算調節(jié)閥的流量系數Kv值。現以液體為例，簡要地給出Kv值的計算方法。
1．3．1 非阻塞流
式中：FL-壓力恢復系數 ；FF -液體臨界壓力比系數；PV -閥入口溫度下，介質的飽和蒸汽壓(絕對壓力 ) ，kPa；pc-熱力學臨界壓力(絕對壓力)，kPa ；qv-液體流量 ，m3/h ； ρ-液體密度 ，g/cm3 ；P1-閥前壓力 (絕對壓力) ，kPa；P2-閥后壓力(絕對壓力)，kPa。
1．3．2 阻塞流
由式(5)可以看出，在阻塞流情況下，Kv值的計算公式與非阻塞流工況不同，壓差一項用FL2 (P1一FF Pv )代替實際壓差P1 -P2，比用實際壓差計算出的Kv值要大 ，即由于阻塞流的作用 ，閥的流通能力不能充分發(fā)揮出來 ，必須按更大的Kv值來選擇閥的口徑才能滿足流體流通的要求。
2 自力式壓力調節(jié)閥的選擇
2．1 口徑選擇的一般步驟
(1)根據生產能力、設備負荷等工藝參數確定最大流量和最小流量qvmax ，qvmin；
(2)根據系統特點、壓力分配和管路壓損 ，確定最大壓差和最小壓差 △Pvmax， ，△Pvmin；
(3)按流量系數計算公式，分別計算出最大流量和最小流量時的流量系數Kvmax，Kvmin；
(4)根據計算出的Kvmax，在產品樣本中選取大于Kvmax ，并最接近Kvmax的Kvs值；
(5)根據計算出的Kvmax，Kvmin驗算閥的開度(一般要求閥開度在10％～80％之間) ；
(6)根據Kvmax，Kvmin計算 出可調比R(一般要求R=Kvmax/Kvmin≤30：1) ；
(7)各項計算驗證合格后，根據Kvs值，確定調節(jié)閥的口徑 。
2．2 選擇時的注意事項
自力式調節(jié)閥是 由機械方法組成的純 比例調節(jié)系統，其調節(jié)精度不高 ，只適用于調節(jié) 品質要求不高的場合；
(1)自力式調節(jié)閥主要應用在被控參數一旦調定后，不經常改變 (調整 ) 的場合 ，而被控參數經常改變 (調整 ) 的場合 ，應使用氣動或 電動調節(jié)閥。一般直接作用型調節(jié) 閥其設定值允許偏差為±8 ％，帶指揮器作用式調節(jié)閥其設定值允許偏差±4 ％ 左右。若超 出設定彈簧的允許調壓值，為達到原設定值要求，則必須通過更換設定彈簧 的辦法才可實現，這需送回生產廠才能完成 。
(2)選用允許壓差時，應注意到自力式調節(jié)閥的允許壓差值小的特點。
(3)自力式壓力調節(jié)閥一般應用在非腐蝕性工藝條件下，若在腐蝕性介質場合應用要特別慎重。
(4)自力式調節(jié)閥應用在黏度較高的介質場合時應慎重，高黏度的介質不宜使用。
(5)設定壓力不應超過或接近所選擇閥門許可的調整范圍的極限值，留有一定的余量。
(6)注意調節(jié)精度的要求。一般情況下，自力式調節(jié)閥的調節(jié)精度低于氣動或電動調節(jié)閥，對調節(jié)精度要求較高的地方場合不宜采用自力式調節(jié)閥。
(7)在工程設計和采購過程中要注意區(qū)分自力式調節(jié)閥是背壓閥還是減壓閥。一旦將背壓閥和減壓閥弄反，將無法正常使用，只能重新采購。
(8)注意自力式調節(jié)閥的開度要求。一般情況下，設計人員主要關注調節(jié)閥的開度 要求而忽略了對自力式調節(jié)閥的開度要求 。采購中應要求廠家在計算書中給出自力式調節(jié)閥在最小、正常 、最大工況下的開度 。閥的開度一般在10 ％～80 ％之間為宜。
3 自力式壓力調節(jié)閥在海洋石油平臺上的應用自力式 調節(jié) 閥與普 通調 節(jié) 閥相 比有 許 多差異 ，但這些差異并不影響在海洋石油平臺上的使用。海洋石油平臺上生產過程壓力、溫度不高(1.0 MPa，100℃以下) ，介質黏度不大(2×10-4㎡/s以下) ，控制精度要求不高(一般±10％) ，自力式調節(jié)閥完全可以滿足生產需要。
自力式調節(jié) 閥在海洋石油平臺已有十幾年的成功的應用歷史，典型應用在公用、儀表氣系統的壓力控制；穩(wěn)定消防泵出口壓力中的應用；氮封系統中應用等 。
3．1 自力式調節(jié)閥在公用氣系統中的應用
圖2自力式調節(jié)閥在公用氣系統中的應用
自力式調節(jié)閥在公用氣系統中的應用如圖2所示 ，為一個背壓閥和減壓閥的組合 ，其功能是將公用氣罐出來的公用氣穩(wěn)定在一個范圍內，海上平臺常取500～800 kPaG 。
3．2 自力式調節(jié)閥在消防泵出口的應用
為 了維持消防泵出口壓力的穩(wěn)定 ，給下游消防管網一個相對穩(wěn)定的海水供應，在消防泵的出口往往設有自力式壓力調節(jié)閥，如圖3所示。
圖3自力式調節(jié)閥在消防泵出口的應用
3-3 自力式調節(jié) 閥在氮封系統中的應用
使用氮封裝置的目的主要是用于維護儲罐頂部氮氣壓力的恒定 ，以保護罐 內物料不被氧化及儲罐安全 。此應用對自力式調節(jié) 閥的調節(jié)精度要求相對較高 ，一般需要配置帶有指揮器作用式的自力式調節(jié)閥。 自力式調節(jié)閥在海洋石油平臺中的應用還有很多，在此不一一贅述。
4 結束語
自力式調節(jié)閥無須外加驅動能源、結構簡單、工程造價低、使用維護方便 ，在石油行業(yè) 中得到了廣泛應用 ，尤其是在動力源配置困難的簡易井口平臺。對于那些對調節(jié)精度要求不高的場合 ，綜合考慮工程造價、操作維修及運行成本等因素，自力式調節(jié)閥實為一種良好的控制設備。
◆參考文獻
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[6】周劍．自力式調節(jié)閥的選擇[J]．石油化工自動化，2006 ，(3)：89-92．