
您的位置:首頁 > 技術(shù)文獻(xiàn) > 縫合材料及粘合劑 > 技術(shù)講座:控制閥壓差的確定
在化工過程控制系統(tǒng)中,帶控制閥的控制回路隨處可見。在確定控制閥壓差的過程中,必須考慮系統(tǒng)對控制閥操作性能的影響,否則,即使確定的控制閥壓差極其精確,最終確定的控制閥也是無法滿足過程控制要求的。
從自動控制的角度來講,控制閥應(yīng)該具有較大的壓差。這樣選出來的控制閥,其實(shí)際工作性能比較接近試驗(yàn)工作性能(即理想工作性能),即控制閥的調(diào)節(jié)品質(zhì)較好,過程容易控制。但是,容易造成確定的控制閥壓差偏大,最終選用的控制閥口徑偏小。一旦管系壓降比計(jì)算值大或相當(dāng),控制閥就無法起到正常的調(diào)節(jié)作用。實(shí)際操作中,出現(xiàn)控制閥已處于全開位置,所通過的流量達(dá)不到所期望的數(shù)值;或者通過控制閥的流量為正常流量值時,控制閥已處于90%開度附近,已處于通?刂崎y開度上限,若負(fù)荷稍有提高,控制閥將很難起到調(diào)節(jié)作用。這就是控制閥壓差取值過大的結(jié)果。
從工藝系統(tǒng)的角度來講,控制閥應(yīng)該具有較小的壓差。這樣選出來的控制閥,可以避免出現(xiàn)上述問題,或者控制閥處于泵或壓縮機(jī)出口時能耗較低。但是,這樣做的結(jié)果往往是選用的控制閥口徑偏大,由于控制閥壓差在管系總壓降中所占比例過小,控制閥的工作特性發(fā)生了嚴(yán)重畸變,控制閥的調(diào)節(jié)品質(zhì)不好,過程難于控制。實(shí)際操作中,出現(xiàn)通過控制閥的流量為正常流量值時,控制閥已處于10%開度附近,并處于通?刂崎y的開度下限,若負(fù)荷稍有變化,控制閥將難于起到調(diào)節(jié)作用,這種情況在低負(fù)荷開車時尤為明顯。這就是控制閥壓差取值過小的結(jié)果。同時,控制閥口徑偏大,既是控制閥能力的浪費(fèi),使控制閥費(fèi)用增高;而且控制閥長期處于小開度運(yùn)行,流體對閥芯和閥座的沖蝕作用嚴(yán)重,縮短控制閥的使用壽命。
正確確定控制閥的壓差就是要解決好上述兩方面的矛盾,使根據(jù)工藝條件所選出的控制閥既能夠滿足過程控制要求,達(dá)到調(diào)節(jié)品質(zhì)好、節(jié)能降耗又經(jīng)濟(jì)合理。
關(guān)于控制閥壓差的確定,常見的有兩種觀點(diǎn)。其一認(rèn)為根據(jù)系統(tǒng)前后總壓差估算就可以了;其二認(rèn)為根據(jù)管系走向計(jì)算出控制閥前后壓力即可計(jì)算出控制閥的壓差。這兩種方法對于估算國內(nèi)初步設(shè)計(jì)階段的控制閥是可以的,但用于詳細(xì)設(shè)計(jì)或施工圖設(shè)計(jì)階段的控制閥選型是不妥的,常常造成所選的控制閥口徑偏大或偏小的問題。正確的做法是對控制閥所在管系進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算后,結(jié)合系統(tǒng)前后總壓差,在不使控制閥工作特性發(fā)生畸變的壓差范圍內(nèi)合理地確定控制閥壓差。
一般控制條件在流程確定之后即要提出,而管道專業(yè)的配管圖往往滯后,而且配管時還需要控制閥的有關(guān)尺寸,怎樣在提控制閥控制條件時先進(jìn)行管系的水力學(xué)計(jì)算呢?怎樣進(jìn)行管系的水力學(xué)計(jì)算,再結(jié)合系統(tǒng)前后總壓差,最終在合理范圍內(nèi)確定控制閥壓差,這就是本文要解決的問題。
1 控制閥的有關(guān)概念
為了對控制閥壓差確定過程有一個清楚的認(rèn)識,需要了解與控制閥有關(guān)的幾個基本概念。
1.1 控制閥的工作原理
如圖1所示,流體流經(jīng)控制閥前后1-1和2-2截面間的流量有如下關(guān)系。
式中 qv—— 體積流量; 由于A為定值,當(dāng)P1—P2不變時,流量隨ε值變化,而ε值是隨控制閥的開度發(fā)生變化的。因此控制閥是通過改變開度,使ε值發(fā)生變化,來達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。 令 其中C值即儀表專業(yè)選閥時用到的一個重要參數(shù),稱為控制閥的流通能力。 1.2 控制閥的流量特性 流體通過控制閥時,其相對流量和控制閥相對開度之間的關(guān)系,稱為控制閥的流量特性。其數(shù)學(xué)表達(dá)通式為: 1)直線流量特性。當(dāng)控制閥單位相對開度變化引起的相對流量變化是一個常數(shù)時,稱控制閥具有直線流量特性。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 R稱為可調(diào)比,即控制閥可以調(diào)節(jié)的最大流量qvmax和可以調(diào)節(jié)的最小流量qvmin的比值。qvmin不是控制閥關(guān)閉的泄漏量,它是可調(diào)流量的下限值,當(dāng)流量低于此值時,控制閥無法保證調(diào)節(jié)精度。一般qvmin=(2%~4%)qvmax,而泄漏量僅為(0.1%~0.01%)qvmax。 2)等百分比流量特性。當(dāng)控制閥單位相對開度變化引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量成正比時,稱控制閥具有等百分比流量特性。 3)快開流量特性。當(dāng)控制閥單位相對開度變化引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量成反比時,稱控制閥具有快開流量特性。 4)拋物線流量特性。當(dāng)控制閥單位相對開度變化引起的相對流量變化與此點(diǎn)相對流量的平方根成正比時,稱控制閥具有拋物線流量特性。 5)幾種流量特性的比較。一般控制閥,理想可調(diào)比R=30時,不同流量特性的控制閥其相對流量隨相對開度間的變化情況如圖2中的曲線所示。 對于等百分比流量特性,相同的開度變化,小開度時流量變化Δqv小;大開度時流量變化Δqv大。因此,等百分比流量特性控制閥適合于負(fù)荷變化大的場合。 對于快開流量特性,隨開度變大,流量很快達(dá)到最大,開度再增加時,流量變化幅度很小以至于不變。因此,快開流量特性控制閥不適合于調(diào)節(jié)流量,但適合于在雙位控制或程控場合中使用。 拋物線流量特性.其特性曲線介于直線流量特性和等百分比流量特性之間,而且接近于等百分比流量特性。因此常用等百分比流量特性控制閥來代替拋物線流量特性控制閥。 因此,經(jīng)常用到的是直線流量特性控制閥和等百分比流量特性控制閥。 1.3 控制閥的實(shí)際流量特性 由于控制閥都是安裝在管路上,在系統(tǒng)總壓降一定的情況下,當(dāng)流量發(fā)生變化時,管路壓降在變化,控制閥壓差也在發(fā)生變化。因此控制閥壓差變化時,得到的流量特性為實(shí)際流量特性。 a)串聯(lián)管路控制閥的實(shí)際流量特性 對于如圖3所示的控制閥與管路串聯(lián)的系統(tǒng),若令S為控制閥全開時,控制閥的壓差與系統(tǒng)總壓差的比值,稱為控制閥的阻比,有的資料上稱之為控制閥的閥權(quán)度。則控制閥的實(shí)際流量特性表達(dá)式變?yōu)?/font> 即控制閥的實(shí)際流量待性,不但和控制閥的相對開度有關(guān),而且與S有關(guān)。對于安裝在實(shí)際管路中R=30的控制閥,當(dāng)控制閥阻比發(fā)生變化時,其實(shí)際性能曲線的變化趨勢如圖4所示。 從圖4可見: 1)當(dāng)S=1時,即管道阻力為零,系統(tǒng)的總壓降全部落在控制閥上,此時實(shí)際流量特性和理想流量特性是一致的。 因此,隨著S的減小,實(shí)際流量曲線偏離理想流量曲線,可調(diào)比在縮小,可調(diào)節(jié)范圍在變窄。反之則說明,為了保證控制閥具有較好的調(diào)節(jié)性能,控制閥要求有一定的壓差。在實(shí)際應(yīng)用中,為保證控制閥具有較好的調(diào)節(jié)性能,避免控制閥實(shí)際特性發(fā)生畸變,一般希望S≥0.3。 根據(jù)圖4和試驗(yàn)測試,S對控制閥特性的影響結(jié)果如表1所列。 因此,綜合兼顧控制和工藝兩方面要求,一般S=0.3~0.5。特殊情況下: 1)高壓減至低壓時,S很容易在0.5以上。雖然S越大越好,但有時壓差很大,容易造成控制閥沖蝕或流體已呈阻塞流,此時可在控制閥前增設(shè)減壓孔板,使部分壓差消耗在孔板上?装迳戏謸(dān)的壓差工藝和自控專業(yè)協(xié)商確定。 b)并聯(lián)管路控制閥的實(shí)際流量特性 對于如圖5所示的控制閥與管路并聯(lián)的系統(tǒng),壓差ΔP為定值。若令S并為通過調(diào)節(jié)的最大流量和系統(tǒng)最大流量的比值并稱為并連系統(tǒng)控制線的阻比可以得出: 這就是并聯(lián)管路控制閥的實(shí)際流量特性,對于不同的S并,實(shí)際性能曲線的變化趨勢如圖6所示。 從圖6可見: 1)當(dāng)S并=1時,即旁路關(guān)閉,實(shí)際流量特性和理想流量特性是一致的。 這種控制閥和管路并聯(lián)的情況在實(shí)際工程中并不多見,但對于一些需要保持系統(tǒng)有一個最低流量,負(fù)荷變化不大(即調(diào)節(jié)比較小)的場合,為防止儀表故障時最低流量得不到保證。可以采用控制閥和管路并聯(lián)。另外,當(dāng)所選的控制閥偏小,作為一種補(bǔ)救措施;或者裝置有擴(kuò)容能力,但控制閥已不能滿足要求時,可將控制閥的旁路稍開,使控制閥達(dá)到所期望的調(diào)節(jié)目的。此時。先關(guān)閉控制閥主管路,通過閥后總管上的流量計(jì)來標(biāo)定旁路閥的開度。(1)
A —— 控制閥接管面積;
p1,p2——節(jié)流前后壓力;
ε —— 控制閥阻力系數(shù);
ρ—— 流體密度。 (2)
則 (3)
(4)
(5)
從圖2中的流量特性曲線可以看出,對于直線流量特性,相同的開度變化,流量的變化Δqv是相同的,那么,在小流量時,Δqv/qv操作點(diǎn)大,操作靈敏不易控制;在大流量時,Δqv/qv操作點(diǎn)小,操作平穩(wěn)易于控制。因此,直線流量特性控制閥適合于負(fù)荷變化小的場合。(6)
2)隨著S的減小,即管道阻力增加,控制閥最大流量比管道阻力為零時理想最大流量要小,可調(diào)比在縮小。
3)隨著S的減小,實(shí)際流量特性偏離理想流量特性,S越小偏離程度越大。
4)隨著S的減小,直線流量特性趨向于快開流量特性,等百分比流量特性趨向于直線流量特性。而且隨著S的減小,可調(diào)最小流量在升高,可調(diào)比在縮小。
2)稍高壓力減至低壓或物料自流的場合,要使S在0.3以上有時有困難。此時可想辦法降低管路阻力,如:放大管徑、改變設(shè)備布置以縮短管道長度或增加位差、減少彎頭等措施,一定要確保S≥0.3。
3)低壓經(jīng)由泵至高壓的場合,為了降低能耗,要求至少S≥0.15。但為獲得較好的控制閥品質(zhì),建議S≥0.3。
4)氣體管路由于阻力降很小,S很容易在0.5以上。但在低壓和真空系統(tǒng)中,由于容許壓力降較小,要求S≥0.15。(7)
2)隨著S并逐漸減小,即旁路逐漸開大。通過旁路的流量逐漸增加,實(shí)際流量特性起點(diǎn)在上移,可調(diào)比在縮小,但流量特性曲線形狀基本不變。在實(shí)際應(yīng)用中,為保證控制閥有一定的可凋比,一般希望控制閥阻比S并≥0.5,最好S并≥0.8。
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