控制閥選型計算中的允許壓差

　　1 概述

　　控制閥是組成工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，它被稱之為生產(chǎn)過程自動化的“手足”，正確選擇控制閥是確保系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運行的關(guān)鍵?？刂崎y選型內(nèi)容通常包括以下幾個方面：

　?、?控制閥結(jié)構(gòu)形式選擇

　　控制閥有單座閥、雙座閥、套筒閥、角形閥、三通閥、隔膜閥、蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥等類產(chǎn)品，用戶應(yīng)根據(jù)被調(diào)介質(zhì)的特性和工藝條件選擇控制閥的結(jié)構(gòu)形式。

　?、?控制閥流量特性選擇

　　控制閥流量特性是指相對行程與相對流量的關(guān)系，通常有直線特性、等百分比特性、快開特性，需根據(jù)工藝對象的特點選擇。

　?、?控制閥口徑計算

　　根據(jù)工藝過程條件計算出控制閥的流量系數(shù)C，然后根據(jù)對應(yīng)結(jié)構(gòu)形式控制閥的流量系數(shù)C值表選擇口徑。

　　④ 控制閥執(zhí)行機構(gòu)有氣動、液動、電動三種

　　氣動執(zhí)行機構(gòu)可用于防火防爆場合，故障率低，但需建獨立的儀表氣源；液動執(zhí)行機構(gòu)可用于推力或力矩特別大的地方，運行平穩(wěn)，但體積大，價格昂貴，用量很少；電動執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動源隨地可取，隔爆型產(chǎn)品可用于防火防爆場合，其可靠性近年來大幅度提高，目前已成為執(zhí)行機構(gòu)的主流產(chǎn)品。

　?、?控制閥材質(zhì)選擇

　　主要根據(jù)閥門受控介質(zhì)的溫度、壓力、腐蝕性以及是否產(chǎn)生氣蝕、沖蝕等因素選擇材質(zhì)，這包括閥體、閥蓋、閥芯、閥桿、閥座、墊片、密封填料等材質(zhì)的選擇。

　?、?控制閥不平衡力校核

　　不平衡力校核是保證控制閥正常工作不可缺少的一步。其實質(zhì)是校核執(zhí)行機構(gòu)的輸出力是否大于介質(zhì)的不平衡力、閥門動作時的摩擦力、閥芯的重力等力的總和（校核時輸出力還要有一定的余量）。

　　為了簡化計算。閥門生產(chǎn)廠根據(jù)工作條件對常用閥門計算出允許壓差，列成表格附在選型樣本上，這樣不平衡力校核就轉(zhuǎn)換成允許壓差校核。

　　校核有兩種方式，一是根據(jù)所選執(zhí)行機構(gòu)的輸出力看允許壓差值是否合乎要求，二是根據(jù)允許壓差值選定合適輸出力的執(zhí)行機構(gòu)。

　　當校核未能通過時，可能要從閥門結(jié)構(gòu)形式選擇開始重新選型。

　　在一些控制閥的選型計算資料中往往著重介紹口徑計算等內(nèi)容，對不平衡力校核則只字不提，因此有些設(shè)計人員常常只進行前五項工作而忽略了后一項工作，在大多數(shù)流體壓力不高的情況下，不作該項校核也不影響控制閥的正常工作。但對中高壓生產(chǎn)過程來說，不作校核就可能造成閥門關(guān)不死，從而影響閥門的運行。更為嚴重的是，由于頭腦中沒有允許壓差這個概念，當這個問題出現(xiàn)時人們往往弄不清楚原因，就把責任推到控制閥制造廠，認為是產(chǎn)品的質(zhì)量問題，導致故障長期得不到解決。

　　專家對控制閥使用中存在問題的問卷調(diào)查結(jié)果表明：反映泄漏量大的占第二位，為42.5%；反映推力不夠、閥關(guān)不嚴的占9.6%。雖然明確指出推力不夠、閥關(guān)不嚴的只占9.6%，但實際上反映泄漏量大的42.5%。用戶中應(yīng)該有相當一部分也是推力不夠造成的，只是用戶還未找到泄漏原因而已，所以推力不夠、閥關(guān)不嚴的問題的確是一個較為常見的問題。

　　本文將首先介紹了控制閥允許壓差的概念，然后就控制閥允許壓差選取應(yīng)注意的問題進行討論。

　　2 控制閥允許壓差值

以深圳萬迅自控公司“電子式電動調(diào)節(jié)閥”選型樣本中的數(shù)據(jù)為例，在表1中列出部分口徑MTS單座控制閥的允許壓差。

表1 部分口徑MTS單座控制閥（柱塞型閥芯、金屬閥座）的允許壓差

執(zhí)行機構(gòu)
 允許壓差/MPa
 
閥座直徑/mm
 
型號
 推力/KN
 40
 50
 65
 80
 
PSL201
 1
 0.67
 0.43
 
 
 
PSL201
 2
 1.47
 0.94
 0.48
 0.31
 
PSL204
 4.5
 3.46
 2.21
 1.23
 0.81
 
PSL208
 8
 
 
 2.29
 1.51
 
PSL312
 12
 
 
 3.49
 2.30
 
PSL314
 14
 
 
 4.10
 2.70
 
分析表1，可得到以下結(jié)論：

閥門的允許壓差除了與閥門的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)以外，還與口徑、執(zhí)行機構(gòu)的推力等因素有關(guān)?？趶皆酱?，允許壓差越小。執(zhí)行機構(gòu)的推力越大，允許壓差越大（兩者幾乎成正比），當超出一定范圍后，可能無法配用更大推力的執(zhí)行機構(gòu)，這時應(yīng)選用允許壓差更大的閥門結(jié)構(gòu)形式。

單座控制閥的允許壓差低，不進行控制閥不平衡力校核，通常不一定能滿足中高壓生產(chǎn)過程的要求。特別是當用戶未提允許壓差要求時，閥門生產(chǎn)廠可能按最小推力的執(zhí)行機構(gòu)供貨，這樣的事例在現(xiàn)場多次出現(xiàn)過。但是單座閥的結(jié)構(gòu)簡單、泄漏量小、價格低，如果稍加大推力即可滿足要求，就不一定非要選擇結(jié)構(gòu)復雜的閥門。國內(nèi)一般工廠的樣本不提供所配執(zhí)行機構(gòu)推力的選擇或選擇余地很小，造成用戶一種錯覺，以為閥門的結(jié)構(gòu)形式、口徑確定以后，允許壓差也就確定了而無法改變。深圳萬迅自控公司對同一口徑的閥門通?？商峁?~5種推力的選擇的做法就糾正了這一錯覺，希望國內(nèi)其他廠也能做到這一點，也希望用戶能注意到這一點。

3 允許壓差如何選取

用戶在訂購控制閥的訂貨數(shù)據(jù)表或計算書上，均應(yīng)將最大工作壓差作為最重要的基本數(shù)據(jù)之一列出，不列出此項相當于訂貨數(shù)據(jù)不全，這可能導致閥門達不到允許壓差要求而關(guān)閉不嚴、執(zhí)行機構(gòu)推力選擇過大或閥門結(jié)構(gòu)形式選擇不當?shù)乳y門選型錯誤。

按作者在設(shè)計選型計算和實際現(xiàn)場應(yīng)用中的體會，允許壓差選取時應(yīng)注意以下幾個問題：

對簡單的降壓控制系統(tǒng)，允許壓差等于要求的減壓值。
閥門正常工作時閥前的壓力通常不能作為允許壓差的計算根據(jù)。正常工作時閥的的壓力并不大，但隨閥門逐漸關(guān)小，閥前壓力逐漸加大，閥前后壓差也逐漸加大。

閥門正常工作時閥后的壓力通常也不能作為允許壓差的計算根據(jù)。如果閥后只有連通大的管道而無阻力件，計算允許壓差時可視閥后壓力為零。但如果閥后連接有壓力容器及各種阻力件，閥門正常工作時閥后的壓力大體等于這些壓力容器在正常工作時的壓力值或在這些阻力件前要求的壓力（如燃燒噴嘴前要求壓力0.1MPa）。

以閥門正常工作時閥前后的壓力計算出來的壓差作為允許壓差往往偏小，原因可能有以下幾點：

在不正常工作時閥門的開度可能很小，使閥前壓力大大升高，而最大工作壓差的含義是指閥門即將關(guān)閉時可能出現(xiàn)的差壓值，而在這種情況下，流體輸送設(shè)備（如水泵、風機、空壓機）的出口將達到設(shè)備運行的最高壓力，其數(shù)值等于流體輸送設(shè)備的額定出口壓力。

在不正常工作時閥門后的壓力容器的壓力可能低于壓力容器在正常工作時的壓力值。

正是這兩個因素使得不正常工作時閥前后的壓差遠遠大于正常工作時閥前后的壓差，使得在正常工作時不泄漏的閥門在不正常工作時產(chǎn)生泄漏。以工業(yè)鍋爐給水系統(tǒng)為例，35t/h的鍋爐給水泵額定壓力通常為6.0MPa，汽泡壓力為3.8MPa，閥前壓力正常時為4.0MPa，閥門正常工作時閥前后的壓差約為0.2MPa，如果拿這個值作為允許壓差，幾乎任何一臺閥門能滿足要求。但當用汽量突然減少時，閥門開度也將減少，閥前壓力逐漸增大，直至達到給水泵額定壓力為止。此時閥前后的壓差為2.2MPa，一般單座閥在這種壓差下很難保證不泄漏。而且鍋爐汽包壓力很可能根據(jù)需要定為3.0MPa、2.5MPa，此時閥前后的壓差分別為3.0MPa、3.5MPa，比前述閥前后的壓差要大得多。而作者在現(xiàn)場時還有過一次奇特的經(jīng)歷，允許壓差值按3.0MPa考慮的閥門在鍋爐冷試開度還較大時就關(guān)不上了，后分析原因才知道了冷試時汽包壓力為零，而且冷試時用水量很少，要求閥門開度很小，此時閥前壓力可能達到6MPa，閥后壓力為零，閥前后壓差遠遠超過允許壓差，所以閥門開度還較大時就關(guān)不上了。在現(xiàn)場只好開通旁路，待設(shè)備轉(zhuǎn)入正常工作時再啟動控制閥工作。所以，在確定允許壓差時，這樣一些因素也需要考慮。

有些閥門只是作為遙控閥門，其中有一部分還是工藝專業(yè)所選閥門，只不過為了實現(xiàn)遙控配上了儀表專業(yè)所選的執(zhí)行機構(gòu)，所以有些人習慣不作閥門的選型計算，但現(xiàn)場運行結(jié)果表明在某些情況下不作選型計算是錯誤的。盡管選型計算的某些步驟可以簡化，如涉及控制性能的流量系數(shù)計算、流量特性選擇可以省略，但不平衡力校核等步驟還是必不可少的。