[摘 要] 介紹了自力式調(diào)節(jié)閥的工作原理及流量系數(shù)的計(jì)算方法，闡述了自力式調(diào)節(jié)閥的選型及注意事項(xiàng)，給出了自力式調(diào)節(jié)閥在海洋石油平臺(tái)上的具體應(yīng)用實(shí)例。

自力式調(diào)節(jié)閥是一種無(wú)需外來(lái)能源 ，依靠被調(diào)介質(zhì)自身壓力、溫度或流量的變化，按預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制裝置，是一種節(jié)能型儀表。該閥集測(cè)量、執(zhí)行和控制等功能于一身，自成一個(gè)獨(dú)立的儀表控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、價(jià)格便宜和動(dòng)作可靠等特點(diǎn)，適用于調(diào)節(jié)精度要求不高或儀表氣源供給困難的場(chǎng)合，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、輕工等工業(yè)部門(mén)的自控系統(tǒng)。

自力式調(diào)節(jié)閥按用途分為壓力、差壓、液位、溫度和流量調(diào)節(jié)閥。其中以自力式壓力調(diào)節(jié)閥應(yīng)用最為廣泛 。本文就自力式壓力調(diào)節(jié)閥在海洋石油平臺(tái)上的選擇及注意事項(xiàng)等進(jìn)行闡述 。

1 自力式壓力調(diào)節(jié)閥的分類(lèi)、原理及流量系數(shù)計(jì)算

1．1 自力式壓力調(diào)節(jié)閥的分類(lèi)

根據(jù)作用形式的不同， 自力式調(diào)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(diào)節(jié)閥適用于穩(wěn)壓精度 10％～20％的系統(tǒng)中。直接作用式調(diào)節(jié)閥最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)及操作簡(jiǎn)單，但由于彈簧負(fù)載系統(tǒng)在調(diào)節(jié)閥運(yùn)行中引起壓降，導(dǎo)致出口壓力的非線(xiàn)性，因此 ，在壓降較小而要獲得大流量時(shí)，必須使用另一種形式的調(diào)節(jié)閥一指揮器作用式的自力式調(diào)節(jié)閥。指揮器作用式調(diào)節(jié)閥適用于出口壓力變化范圍小于設(shè)定壓力l0％的系統(tǒng) 。氮封裝置就是其典型應(yīng)用之一。

自力式調(diào)節(jié)閥根據(jù)被調(diào)壓力取壓點(diǎn)的不同，又分為閥前壓力調(diào)節(jié)型 (簡(jiǎn)稱(chēng) “背壓閥”) 和閥后壓力調(diào)節(jié)型(簡(jiǎn)稱(chēng) “減壓閥”) 兩種 。背壓閥在初始狀態(tài)其閥芯為關(guān)閉位置 ，當(dāng)閥前壓力逐漸升高 ，閥門(mén)逐漸打開(kāi)，直至閥前壓力穩(wěn)定在設(shè)定值：減壓閥在初始狀態(tài)其閥芯為開(kāi)啟位置 ，當(dāng)閥后壓力逐漸升高，閥門(mén)逐漸關(guān)閉，直至閥后壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。

1．2 自力式壓力調(diào)節(jié) 閥原理

自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥，其閥芯初始位置在關(guān)閉狀態(tài) ，如圖1所示。閥前壓力P₁經(jīng)閥芯、閥座節(jié)流后 ，變?yōu)殚y后壓力P₂，同時(shí)P₁經(jīng)過(guò)取壓管輸入至上膜室內(nèi)作用在膜片上，產(chǎn)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(duì)位置，從而控制閥前壓力。

當(dāng)P₁增加時(shí)，P₁作用于膜片上的力也隨之增加。 此時(shí)膜片上的作用力大于彈簧的反作用力 ，使閥芯向離開(kāi)閥座的方向移動(dòng)，這時(shí)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(shè)定值 。同理 ，P₁降低時(shí)，動(dòng)作方向與上述相反，這就是閥前壓力調(diào)節(jié)的工作原理。

圖1 閥前壓力調(diào)節(jié)閥原理圖

閥后壓力調(diào)節(jié)閥與閥前壓力調(diào)節(jié)閥的原理相同，但閥芯反裝?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)彈簧反作用力的大小來(lái)改變壓力設(shè)定值。流量特性一般為快開(kāi)。

1．3 流量系數(shù)的計(jì)算

流量系數(shù)Kv(又稱(chēng)流通能力) ，是調(diào)節(jié) 閥的重要參數(shù)之一。它反映流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥的能力。根據(jù)實(shí)際計(jì)算出的流量系數(shù)Kv值的大小，選擇適合的額定流量系數(shù)Kvs就可以確定調(diào)節(jié)閥的公稱(chēng)通徑。調(diào)節(jié)閥的額定流量系數(shù)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(shí)，額定行程時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量，是以立方米每小時(shí)或噸每小時(shí)計(jì)的流量數(shù)。如果選擇的額定流量系數(shù)過(guò)大，就會(huì)使調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在小開(kāi)度的工況下，既影響控制質(zhì)量，又會(huì)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(shù)過(guò)小 ，則會(huì)使調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度過(guò)大，閥門(mén)處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，不能滿(mǎn)足流量要求，容易出現(xiàn)故障。

為 了合理選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸，必須正確計(jì)算調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv值?，F(xiàn)以液體為例，簡(jiǎn)要地給出Kv值的計(jì)算方法。

1．3．1 非阻塞流

式中：F_L-壓力恢復(fù)系數(shù) ；F_F -液體臨界壓力比系數(shù)；P_V -閥入口溫度下，介質(zhì)的飽和蒸汽壓(絕對(duì)壓力 ) ，kPa；pc-熱力學(xué)臨界壓力(絕對(duì)壓力)，kPa ；qv-液體流量 ，m³/h ； ρ-液體密度 ，g/cm³ ；P1-閥前壓力 (絕對(duì)壓力) ，kPa；P2-閥后壓力(絕對(duì)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(jì)算公式與非阻塞流工況不同，壓差一項(xiàng)用FL² (P₁一F_F Pv )代替實(shí)際壓差P1 -P2，比用實(shí)際壓差計(jì)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(lái) ，必須按更大的Kv值來(lái)選擇閥的口徑才能滿(mǎn)足流體流通的要求。

2 自力式壓力調(diào)節(jié)閥的選擇

2．1 口徑選擇的一般步驟

(1)根據(jù)生產(chǎn)能力、設(shè)備負(fù)荷等工藝參數(shù)確定最大流量和最小流量qvmax ，qvmin；

(2)根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)、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(shù)計(jì)算公式，分別計(jì)算出最大流量和最小流量時(shí)的流量系數(shù)Kvmax，Kvmin；

(4)根據(jù)計(jì)算出的Kvmax，在產(chǎn)品樣本中選取大于Kvmax ，并最接近Kvmax的Kvs值；

(5)根據(jù)計(jì)算出的Kvmax，Kvmin驗(yàn)算閥的開(kāi)度(一般要求閥開(kāi)度在10％～80％之間) ；

(6)根據(jù)Kvmax，Kvmin計(jì)算 出可調(diào)比R(一般要求R=Kvmax/Kvmin≤30：1) ；

(7)各項(xiàng)計(jì)算驗(yàn)證合格后，根據(jù)Kvs值，確定調(diào)節(jié)閥的口徑 。

2．2 選擇時(shí)的注意事項(xiàng)

自力式調(diào)節(jié)閥是 由機(jī)械方法組成的純 比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)精度不高 ，只適用于調(diào)節(jié) 品質(zhì)要求不高的場(chǎng)合；

(1)自力式調(diào)節(jié)閥主要應(yīng)用在被控參數(shù)一旦調(diào)定后，不經(jīng)常改變 (調(diào)整 ) 的場(chǎng)合 ，而被控參數(shù)經(jīng)常改變 (調(diào)整 ) 的場(chǎng)合 ，應(yīng)使用氣動(dòng)或 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。一般直接作用型調(diào)節(jié) 閥其設(shè)定值允許偏差為±8 ％，帶指揮器作用式調(diào)節(jié)閥其設(shè)定值允許偏差±4 ％ 左右。若超 出設(shè)定彈簧的允許調(diào)壓值，為達(dá)到原設(shè)定值要求，則必須通過(guò)更換設(shè)定彈簧 的辦法才可實(shí)現(xiàn)，這需送回生產(chǎn)廠(chǎng)才能完成 。

(2)選用允許壓差時(shí)，應(yīng)注意到自力式調(diào)節(jié)閥的允許壓差值小的特點(diǎn)。

(3)自力式壓力調(diào)節(jié)閥一般應(yīng)用在非腐蝕性工藝條件下，若在腐蝕性介質(zhì)場(chǎng)合應(yīng)用要特別慎重。

(4)自力式調(diào)節(jié)閥應(yīng)用在黏度較高的介質(zhì)場(chǎng)合時(shí)應(yīng)慎重，高黏度的介質(zhì)不宜使用。

(5)設(shè)定壓力不應(yīng)超過(guò)或接近所選擇閥門(mén)許可的調(diào)整范圍的極限值，留有一定的余量。

(6)注意調(diào)節(jié)精度的要求。一般情況下，自力式調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度低于氣動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，對(duì)調(diào)節(jié)精度要求較高的地方場(chǎng)合不宜采用自力式調(diào)節(jié)閥。

(7)在工程設(shè)計(jì)和采購(gòu)過(guò)程中要注意區(qū)分自力式調(diào)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(wú)法正常使用，只能重新采購(gòu)。

(8)注意自力式調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度要求。一般情況下，設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度 要求而忽略了對(duì)自力式調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度要求 。采購(gòu)中應(yīng)要求廠(chǎng)家在計(jì)算書(shū)中給出自力式調(diào)節(jié)閥在最小、正常 、最大工況下的開(kāi)度 。閥的開(kāi)度一般在10 ％～80 ％之間為宜。

3 自力式壓力調(diào)節(jié)閥在海洋石油平臺(tái)上的應(yīng)用自力式 調(diào)節(jié) 閥與普 通調(diào) 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(tái)上的使用。海洋石油平臺(tái)上生產(chǎn)過(guò)程壓力、溫度不高(1.0 MPa，100℃以下) ，介質(zhì)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(diào)節(jié)閥完全可以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

自力式調(diào)節(jié) 閥在海洋石油平臺(tái)已有十幾年的成功的應(yīng)用歷史，典型應(yīng)用在公用、儀表氣系統(tǒng)的壓力控制；穩(wěn)定消防泵出口壓力中的應(yīng)用；氮封系統(tǒng)中應(yīng)用等 。

3．1 自力式調(diào)節(jié)閥在公用氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖2自力式調(diào)節(jié)閥在公用氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

自力式調(diào)節(jié)閥在公用氣系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖2所示 ，為一個(gè)背壓閥和減壓閥的組合 ，其功能是將公用氣罐出來(lái)的公用氣穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，海上平臺(tái)常取500～800 kPaG 。

3．2 自力式調(diào)節(jié)閥在消防泵出口的應(yīng)用

為 了維持消防泵出口壓力的穩(wěn)定 ，給下游消防管網(wǎng)一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的海水供應(yīng)，在消防泵的出口往往設(shè)有自力式壓力調(diào)節(jié)閥，如圖3所示。

圖3自力式調(diào)節(jié)閥在消防泵出口的應(yīng)用

3-3 自力式調(diào)節(jié) 閥在氮封系統(tǒng)中的應(yīng)用

使用氮封裝置的目的主要是用于維護(hù)儲(chǔ)罐頂部氮?dú)鈮毫Φ暮愣?，以保護(hù)罐 內(nèi)物料不被氧化及儲(chǔ)罐安全 。此應(yīng)用對(duì)自力式調(diào)節(jié) 閥的調(diào)節(jié)精度要求相對(duì)較高 ，一般需要配置帶有指揮器作用式的自力式調(diào)節(jié)閥。 自力式調(diào)節(jié)閥在海洋石油平臺(tái)中的應(yīng)用還有很多，在此不一一贅述。

4 結(jié)束語(yǔ)

自力式調(diào)節(jié)閥無(wú)須外加驅(qū)動(dòng)能源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程造價(jià)低、使用維護(hù)方便 ，在石油行業(yè) 中得到了廣泛應(yīng)用 ，尤其是在動(dòng)力源配置困難的簡(jiǎn)易井口平臺(tái)。對(duì)于那些對(duì)調(diào)節(jié)精度要求不高的場(chǎng)合 ，綜合考慮工程造價(jià)、操作維修及運(yùn)行成本等因素，自力式調(diào)節(jié)閥實(shí)為一種良好的控制設(shè)備。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 陸德民主編．石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè) (第三版) [M ]．北京 ：化學(xué)工業(yè)出版社 ，2001．

[2】樂(lè)嘉謙主編．儀表工手冊(cè) (第二版 ) [M 】．北京 ：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

[3] 陸培文．實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M ]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20 o4 ．

[4] 侯鵬倩．自力式調(diào)節(jié)閥及其應(yīng)用[J】．石油化工 自動(dòng)化 ，2005，(1)：83—85．

【5】羅非．自力式調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)及應(yīng)用[J】．醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2005 ，26(6)：38-40．

[6】周劍．自力式調(diào)節(jié)閥的選擇[J]．石油化工自動(dòng)化，2006 ，(3)：89-92．