氣動薄膜調節閥的選型

                            氣動薄膜調節閥的選型

                            上海申弘閥門有限公司     

    氣動薄膜調節閥的選型： 
    (1)、根據使用要求選型氣動薄膜調節閥由閥芯和閥體(包括閥座)兩部分組成，按不同的使用要求有不同的結構形式。上海申弘閥門廠所生產的氣動薄膜調節閥主要有：直通單座調節閥、雙座調節閥和高壓角式調節閥……更多》。直通單座調節閥泄漏量小，流體對單座閥芯的推力所形成的不平衡力很大，因此直通單座調節閥適用于要求泄漏量小、管徑小和閥前后壓差較低的場合。直通雙座調節閥閥體內有上下兩個閥芯，由于流體作用于上下閥芯的推力方向相反而大致抵消；所以雙座調節閥的不平衡力很小，允許閥前后有較大的壓差。自力式壓力調節閥  但由于閥體內流路復雜，用于高壓差時對閥體的沖蝕損傷較嚴重，不宜用于高粘度、含懸浮顆粒或含纖維的介質。此外由于受加工條件的限制，雙座調節閥上下兩個閥芯不易同時關嚴，所以關閉時泄漏量大，尤其是在高溫或低溫的場合下使用時，因材料的熱膨脹系數不同，更易引起嚴重的泄漏。高壓角式調節閥閥體為直角式，流路簡單、阻力小，受高速流體的沖蝕也小，特別適用于高壓差、高粘度和含懸浮物顆粒狀物質的流體，也可用于處理汽液混相，易閃蒸汽蝕的場合。這種閥體可以避免結焦、粘結和堵塞，便于清潔和自凈。 
    (2)、根據安全性選型氣動薄膜調節閥有氣開閥和氣閉閥兩種形式。根據不同生產工藝上的安全和使用要求考慮，當信號壓力中斷時調節閥處于打開或關閉位置，對工藝生產造成的危害性大小而定。如果閥門處于關閉位置時危害小，則選用氣開閥，信號壓力中斷時，使調節閥處于關閉位置，反之，則選用氣閉閥。

氣動調節閥是以壓縮空氣為能源的調節閥，它具有結構簡單、性能穩定、價格低廉、維修方便、防火防爆等特點，因此廣泛的應用于化工、石油、冶金、發電等工業部門中上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。。 

    由于調節閥是直接安裝在工藝管道上，使用條件惡劣，如高溫高壓、深度冷凍、易燃易爆、易結晶、強腐蝕、高粘度、含固體雜質等。為了適應這些環境，人們設計發明了種類繁多的調節閥。如果選型不當，就會直接影響生產的安全穩定的運行，因此，在設計中調節閥的選型就是一個至關重要的過程，也是一個復雜的過程。 
    常見結構特征 
    調節閥是由閥體部件和執行機構兩部分組成。閥體部件直接安裝在工藝管道上，起改變流體流率的作用。執行機構是調節閥的推動裝置，它根據控制信號的大小，產生相應的推動力，從而帶動調節閥的閥芯動作改變調節閥的節流面積，達到調節的目的。 
    調節閥按照能源的不同，主要分為氣動調節閥、電動調節閥、液動調節閥三大類。 
    閥體部件根據其結構形式，可分為單座調節閥、雙座調節閥、套筒調節閥、三通調節閥、角閥、球閥、閘閥、隔膜調節閥等。 
    本文主要論述在各種工況下，氣動薄膜調節閥的選用以及計算。隨著工業自動化程度的不斷提高，調節閥作為自動調節系統的終執行機構，得到越來越廣泛的應用，調節閥應用的好壞直接關系著生產的質量與安全。因此，本公司結合生產自控系統的設計，儀表造型及安裝、調試及維護的經驗，為您解說薄膜調節閥應用。

一、調節閥流量系數的計算 
    流量系數是一個與閥門的結構和給定行程有關的系數，用來衡量閥門的流通能力，即把不同工作條件下所需要的流量轉化為一個標準條件下的流量。 
    表示調節閥流量系數的符號有：C、Cv、Kv，它們的意義是相同的，都表示特定的流體（如：溫度5~40℃的水），在一定的壓降下（如：100kPa），1小時內流過調節閥的體積數。只是由于定義和運算單位不同（即標準狀態不同）在數值上有一些差別。 
    C、Cv、Kv三者之間的關系為：Cv=1.17Kv，Kv=1.01C 
    雖然三者的定義是“1小時內流過調節閥的體積數”，但由于是系數，所以是沒有量綱的。 
    只要確定了閥門的大流量、閥全開時的壓力、介質密度等參數，就可以根據下表的公式計算這是流體的大流量系數。

其中：P1、P2為閥全開時的進出口壓力100kPa，氣體和蒸汽用絕壓。    

ΔP：閥的進出口壓力，即ΔP=P1-P2 

    QN：標況下氣體的流量Nm3/h    

ρ：工況下液體的比重，水為1    

ρN：標況下氣體的比重，空氣為1    

GS：蒸汽流量，kg/h    

T：工況下的溫度℃ 
    T0：工況下，飽和蒸汽的溫度℃    

t：氣體的操作溫度℃ 
    流量系數的計算公式有很多種，大的方面就可以分為壓縮系數法和平均重度法兩大派，不論選哪種，計算的都是一種理想狀態，出入并不大，從選型上講，有一種就夠了。（以上是我院用的公式，實踐證明簡單有效）

二、調節閥結構形式的選擇 
    這是閥門選型中重要的方面，直接決定閥門的使用和維護，所以要結合具體的使用工況，綜合考慮。 

在化工生產過程中，一個工藝過程的控制是否平穩，超調量、衰減比、擾動是否在規定的范圍內，除了工藝設計合理、設備外，重要的一點就是調節閥能否按照主體控制意識準確動作，從而地改變物料或能量。如果調節閥的流量特性差、滲漏大、動作不可靠，就會使自動控制過程的質量變差，甚至失去調節作用，從而增加了勞動強度，給生產帶來重大的經濟損失。因此，調節閥的選擇顯得非常重要。氣動薄膜調節閥因具有調節性能好、結構簡單、動作可靠、維護方便、防火防爆及價廉等優點，而被廣泛用于化工生產過程控制中。那么如何選擇合適的氣動薄膜調節閥呢?這要從以下幾方面進行。
1調節閥類型的選擇
化工生產過程中，被調節的介質特性千差萬別，有的高壓，有的高粘度，有的有腐蝕性，而且流體的流動狀態也各不相同，有的流量很小，有的流量很大。因此，必須選擇合適類型的調節閥去滿足不同的要求。
1.1調節閥結構形式的選擇
在選擇調節閥的結構形式時，主要是根據現場被控工藝介質的特點、工藝生產條件和控制要求等，結合調節閥本身的流量特性和結構特點來選擇。如用于大口徑、大流量、低壓差或濃濁漿狀及懸浮顆粒物的介質調節時，可選用氣動薄膜調節蝶閥；當要求直角連接，介質為高粘度、含懸浮物和顆粒狀介質的調節時，可選用流路簡單、阻力小、易于沖洗的氣動薄膜角型調節閥；當調節脫鹽水介質時，由于脫鹽水介質中含有低濃度的酸或堿，它們對襯橡膠的蝶閥、隔膜閥有較大的腐蝕性，因此可選用水處理球閥，以延長使用壽命；當要求閥在小開度時工作，就不應選用雙座閥，因雙座閥有兩個閥芯，其下閥芯處于流閉狀態，穩定性差，易引起閥的振蕩。
此外，選用調節閥時，還應考慮調節閥的閥芯型式。閥芯是調節閥關鍵的零件，有直行程閥芯和角行程閥芯兩大類。直行程調節閥閥芯是垂直節流的，而介質是水平流進流出的，閥腔內流道必然轉彎倒拐，使閥的流路形狀如倒"S"型，因而存在許多死區，為介質的沉淀提供了空間，易造成堵塞。角行程調節閥的閥芯是水平節流的，與介質的進出方向一致，因此易把不干凈介質帶走，而且流路簡單，介質沉淀空間少，故其防堵性能好。
再次，還應考慮調節閥上閥蓋的形式和所用的填料。當介質溫度為-20~200℃時，應選用普通型閥蓋；當溫度高于200℃時，應選用散熱型閥蓋；當溫度低于-20℃時，應選用長頸型閥蓋；在有劇毒、易揮發、易滲透等重要介質的場合，應選用波紋管密封型閥蓋。上閥蓋填料室中的填料有聚四氟乙烯或石墨填料，前者摩擦系數小，可減少回差，且密封性好；后者使用壽命長，但密封性差。
1.2調節閥作用方式的選擇
調節閥氣開、氣關形式的選擇，主要從工藝生產上的安全要求出發，其原則是：當儀表供氣系統發生故障中斷供氣或控制信號中斷時，調節閥處于打開或關閉的位置由其對生產造成危害性大小決定。如閥門處于打開位置時危險性小，則應選氣關閥。
2流量特性的選擇
調節閥的流量特性是指介質通過閥門的相對流量與閥門的相對開度間的關系。在閥前后壓差保持不變時，稱為理想流量特性。生產中常用的有直線型、等百分比型、拋物線型和快開型四種。實際生產中，由于管道系統除了調節閥外，還有其它的串、并聯管道。因此，調節閥前后壓差通常是變化的，這種情況下的流量特性稱為工作流量特性。
流量特性的選擇實質是如何選擇直線和等百分比特性，因為拋物線流量特性介于直線和等百分比之間，一般可用等百分比特性代替；而快開特性用于二位式調節及程序控制中。那么，如何選擇調節閥的流量特性呢？
2.1從調節系統的調節品質分析
原則是：適當選擇調節閥的特性，以閥的放大系數的變化來補償調節對象放大系數的變化，使調節系統的放大系數保持不變的控制效果。若調節對象的放大系數隨負荷增加而變小，則應選用等百分比特性的調節閥；若調節對象的放大系數為線性，則應選用直線流量特性。
2.2從工藝配管情況分析
由于系統配管的情況不同，配管阻力的存在會引起調節閥上壓降的變化，從而使流量特性變化。因此應根據系統的特點來選擇希望得到的工作特性，然后再考慮配管情況來選擇相應的理想特性。流量特性與配管情況對照如下：（S：稱為閥阻比，指調節閥全開時閥前后壓差ΔPmin與系統總壓差ΔP之比。）
配管情況S=1~0.6S=1~0.6S<0.3
閥工作特性直線 等百分比直線 等百分比不宜控制
閥理想特性直線 等百分比等百分比 等百分比不宜控制

2.3從負荷變化情況分析
直線閥在小開度時流量變化大，調節過于靈敏，容易引起振蕩，因此在S小、負荷變化大的場合不宜使用；快開閥一般用于雙位調節和程序控制的場合；等百分比閥的放大系數隨閥門的行程增加而增大，流量相對變化是恒定不變的，因此適用于負荷變化大、幅度大的場合。生產過程自動化中，等百分比特性是應用廣泛的一種。
3調節閥口徑的選擇
當選定了調節閥的類型和流量特性之后，就可進一步確定它的尺寸。流通能力是確定調節閥口徑的主要依據。所謂流通能力C，是指在調節閥前后壓差為100Kpa、水的密度為1000Kg/m3的條件下，每小時通過閥門的水的立方米數。調節閥口徑選擇按以下步驟進行。
3.1確定調節閥的大、小流通能力Cmax、Cmin
先根據生產能力、設備負荷、介質狀態，確定調節閥的大、小流量；其次根據工藝管路、設備等組成的系統總壓降大小的變化情況來確定調節閥上的大小壓差。然后，選擇合適的計算公式計算出Cmax、Cmin。
C值的計算方法如下：
 液體：

   （1）一般液體：
（2）高粘度液體：


      Q：流經閥門的體積流量
       ΔP：閥前后壓差
   ψ：粘度修正系數
        ρ：液體密度
氣體：
（1）一般氣體：
   當P2>0.5P1時，當P2≤0.5P1時，

    （2）高壓氣體：
   當P2>0.5P1時，當P2≤0.5P1時，

        z：壓縮系數
  ρN：標準狀態下氣體的密度
   QN：標準狀態下氣體的流量
    T：操作溫度
   P1：閥前壓力
   P2：閥后壓力
蒸汽：
（1）飽和蒸汽：
  當P2≥0.5P1時，當P2<0.5P1時，

    （2）過熱蒸汽：
  當P2<0.5P1時，當P2≥0.5P1時，

       Δt：過熱蒸汽溫度
    K：修正系數
    M：蒸汽質量流量
   P1：閥前壓力
    P2：閥后壓力
 ΔP1：閥前后壓力
部分國產調節閥流通能力C值表

 3.2根據計算得到的大流通能力Cmax和已確定的調節閥類型，在調節閥選型樣板該系列調節閥額定流通能力Cmax中，選取大于并接近于此Cmax的C值，作為選定的C值，并確定對應的公稱直徑和閥門直徑。
3.3驗算調節閥開度
（1）根據所選擇的C值和流量特性，驗算閥的開度。一般閥的開度為應全行程的90%~10%，即驗算：

    （2）一般情況下，等百分比閥大流量時對應開度宜為90%，直線閥宜為70%，拋物線閥宜為80%。
3.4驗算可調比
可調比R是指調節閥所能控制的大流量與小流量之比，即R=Qmax/Qmin。因在選用調節閥口徑時已使閥的C值大于計算的Cmax值，故應驗算R是否小于所選閥的實際可調比，即：

    值得注意的是：調節閥的選型比計算重要得多，復雜得多。因為計算只是一個簡單的公式計算，它的本身不在于公式的度，而在于所給定的工藝參數是否準確。選型涉及到的內容較多，稍不慎，便會導致選型不當，不僅造成人力、物力、財力的浪費，而且使用效果還不理想，帶來若干使用問題，如可靠性、壽命、運行質量等。

    工藝介質：必須清楚工藝介質的物理狀態，像高粘度、含懸浮物、閃蒸液體、氣體、蒸汽都必須選擇適當的閥門，以解決對閥門的沖蝕及耐磨損問題。 
    泄漏量：閥門使用的泄漏量必須滿足工藝要求。有些種類的閥門，使用后泄漏量會增加很多，對于一些對泄漏要求高的場合就不能使用。 
    壓差：閥門工作壓差應小于閥的允許壓差，如不行，則須從特殊角度考慮或另選它閥。 
    溫度：介質的溫度在閥的工作溫度范圍內，環境溫度也氣動薄膜調節閥的選型探討要符合要求。 
    根據介質的潔凈情況考慮閥的防堵問題。 
    根據介質的化學性能從結構考慮閥的耐腐蝕問題。 
    綜合性價比后，考慮順序一般為：蝶閥－單座閥－雙座閥－套筒閥－角形閥－三通閥－球閥－偏心旋轉閥－隔膜閥。

三、彈簧范圍的選擇 
    彈簧是氣動調節閥的主要零部件，用來使膜片克服氣室壓力反方向運動，所以是用壓力來表示，即xx∼xxxkPa，也就是一臺閥在靜態時從開始移動到走完行程的膜室壓力的變化范圍。 
    為了保證調節閥的正常關閉，就必須用執行機構的輸出力來克服壓差對閥芯產生的不平衡力。對氣閉閥來說，膜室壓力必須先保證閥門關閉到位，然后繼續增加這部分力，才能把閥芯緊壓在閥座上；對氣開閥來說，當控制要求關閥時，彈簧必須克服膜室壓力，才能把閥芯緊壓在閥座上。 
    由于執行機構的輸出力是膜片壓力、彈簧張力、摩擦力等的合力，所以，在選擇彈簧的時候，要充分利用氣源250kPa的壓力，才能使閥門穩定、可靠的運行。 
四、材料的選擇 
    材料的選擇主要是根據介質的壓力、溫度、腐蝕性、氣蝕、沖蝕五方面決定的。 
    閥體耐壓等級、使用溫度和耐腐蝕性能等方面應不低于工藝連接管道的要求，并應優先選用制造廠定型產品。 
    金屬的耐腐蝕材料的選擇是調節閥材料選擇的主要內容，在強腐蝕類的介質中選擇耐腐蝕材料時，必須根據其濃度、溫度、壓力三者結合起來綜合考慮，這方面有專門的耐腐蝕材料手冊，必要時可考慮防腐襯里。

    選擇襯里材料（橡膠、塑料）還要考慮閥動作時對它物理、機械的破壞（如剪切破壞）和老化。 
    真空閥不宜選用閥體內襯橡膠、塑料結構。 
    對于汽蝕、沖蝕嚴重的閥門，如高壓介質、含固體顆粒的介質，首先應從結構上考慮，然后再考慮材料的耐磨損問題，對于切斷類硬密封調節閥，必須加強密封面的保護，因為密封面是容易被磨損的，可選用的常用的耐磨材料是司太萊合金表面堆焊和鈷基合金耐磨涂層。 
    閥體與節流件分別對待，閥體內壁流速小并允許有一定的腐蝕，其腐蝕率可以在lmm/年左右；節流件受到高速沖刷、腐蝕會引起泄漏增大，其腐蝕率應小于0.1mm/年。 
五、作用方式的選擇 
    氣動調節閥案執行機構的作用方式分為兩種：氣開閥和氣閉閥。氣開閥隨著調節信號的增加，逐步加大調節閥的開度，無信號時，閥門處于關閉位置；氣閉則相反。 
    氣開、氣閉的選擇主要是從生產安全的角度考慮，也就是考慮當系統出故障，調節閥無信號壓力時，調節閥處于哪種位置對生產有利，若閥處于全關位置時對生產危害小，則選用氣開閥，反之，則選用氣閉閥。 
    控制系統中規定：氣動薄膜執行機構當信號增加時，推動閥桿向下運動的，為正作用；推動閥桿向上運動的，為反作用。 六、調節閥的工作流量特性的選擇 
    調節閥的流量特性是指介質流過閥門的相對流量與閥門相對開度的關系，其數學表達式為：Q/QMAX=F（l/L） 
    一般說來，改變調節閥的節流面積，便可以調節流量。在實際使用中，節流面積的改變，流量改變，會導致系統中所有阻力的改變。使調節閥前后壓差改變，在日常的選型過程中，我們假定閥門前后壓差不變，稱為理想流量特性，又稱為固有流量特性。在調節系統中，理想流量特性主要有線性、等百分比兩種。     線性特性是指調節閥的相對流量和相對開度成直線關系，即單位行程變化引起的流量變化是常數。 
    直線特性的閥門在小開度工作時，流量相對變化太大，調節作用太強，容易引起振蕩；而在大開度時，變化太小，調節太弱。等百分比特性是指單位形成變化引起的流量變化，與該點的相對流量成正比，即調節閥的放大系數是變化的，它隨著流量的增加而變大。等百分比特性的調節閥在小開度時，流量小，調節閥的放大系數小，調節平穩緩和，大開度時，流量大，調節閥的放大系數大，調節靈敏有效。 
    在實際使用中，系統的各種阻力會嚴重的削弱調節閥的靈敏性，永遠達不到上述的理想狀態。 

七、流向的選擇 
    在節流口，介質對著閥芯開方向流為流開，向關方向流為流閉。一般閥門對流向的要求可分為三種情況： 
    A 對流向沒要求，如球閥、蝶閥 
    B 流向不得改變，如三通閥、文丘里閥    

C 可雙向工作的閥門，如單座閥、角閥 
    一般情況下選流開，即閥門全關時，介質的流向是閥門打開，因為這時候閥門的背壓低，閥蓋，及閥桿的密封壓力小。對于高壓、有氣蝕作用或是雜質較多的管道，則宜選用流閉閥，以提高壽命。

 

八、上閥蓋的選擇 
    上閥蓋的作用是容納填料函中的填料，并使之在一定的溫度范圍內穩定的工作而保證密封性能。所以根據調節閥的使用溫度分為三種： 
    A 普通型，溫度范圍：鑄鐵-40∼200℃，鑄鋼-40∼250℃B散熱型，溫度范圍：碳鋼-40∼450℃，不銹鋼-60∼250℃    

C 長頸型，溫度范圍：-250∼200℃ 九、填料和附件的選擇 
    填料指的是閥桿和閥體之間的密封材料 
    A 有些介質對密封填料有特殊要求，比如氧氣要求填料要禁油。    

B 對于有毒有害或貴重流體，可選擇波紋管密封。 
    調節閥的附件主要有：定位器、轉換器、減壓閥、過濾器、行程開關、電磁閥、手輪機構等。選擇原則主要有以下幾點： 
    A 附件起補充功能和保證閥運行的作用，不必要的不要增加。 
    B. 定位器的主要功能是提高輸出力和動作速度，提高精度，不需要這些功能時，可不帶。 
    C. 電磁閥用來切換氣信號，通常在聯鎖等關鍵時候動作，應選擇可靠的產品，防止要它動作時不動作。選擇時，不但要提供信號方式、防爆要求，更應該提供響應速度、失電時主閥狀態。 
    D. 所有附件由生產廠家提供并總成在閥上供貨，以保證系統和總成聯接的可靠性。訂貨時，應提供附件的名稱、型號、規格、響應速度、輸入信號、輸出信號等。 
十、閥門瀉漏量的選擇 

    泄漏量指規定測試條件下，控制閥關閉情況時流過控制閥的流體流量。GB/T4213-92有相關規定，需要時可查閱，這里就不贅述。 
    調節閥主要的作用是調節功能，在沒有特殊要求的情況下，不必追求過高的切斷性能，造成對資金的浪費。

十一、閥門口徑的選擇 
    下列計算步驟適用于閥芯屬于直線、對數、及其他任何一種流量特性的各類調節閥的口徑計算： 
    A. 按工藝參數，用計算出大及小流量時的Cmax及Cmin。。    

B. 選定調節閥的流量特性。 
    C. 按調節閥的理想流量特性曲線先預定大流量時相對開啟度K=60∼90%（一般取K=80%）； 
    然后查出對應的相對流量G%； 
    算出上述理想情況下的理想流量特性的Cg’=Cmax/G%；    

依此值預選調節閥標準系列中的Cg值；    

再驗算真實的開啟度，為此： 
    （1）求真實的相對流量Gmax%=Cmax/Cg；    

（2）依此值反查曲線得出真實的相對開啟度Kmax%；同時，依Gmin=Cmin/Cg，查出Kmin%； 
    如果Kmax%在60∼90%；Kmin%>10%即為合格。 
    D。依上述驗算合格的Cg值，后選定調節閥的口徑。 
    注：如果Kmax%不在60∼90%；Kmin%<=10%，應重新預選K值，即重復上述計算步驟，直到合格為止。與本文相關的論文有：西門子電動減壓閥控制原理