自作用压力控制系统及其应用(1)

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1、7.3.1第7章 控制系统硬件：自作用控制章节7.3 自作用压力控制系统及其应用蒸汽和冷凝水系统手册7.3自作用压力控制 系统及其应用5777.3.2章节7.3 自作用压力控制系统及其应用第7章 控制系统硬件：自作用控制蒸汽和冷凝水系统手册自作用压力控制系统及其应用为什么蒸汽需要减压然而，这一点，并不是需要蒸汽减压阀的唯一原因。大多数蒸汽锅炉的设计压力都相对较高，且不应运行在较低的压力下，那样会导致蒸汽干度下降。由于这个原因，通常比较经济的做法是高压输送蒸汽，然后在使用点进行减压。这样布置还有另外一个优点，即可以减少蒸汽主管的口径，因为在高压下，蒸汽的比容较小。由于饱和蒸汽的温度和压力是一一对

2、应的，压力控制比较简单且可以提供精确的温度控制。这一点在杀菌锅和接触式干燥器上比较普遍，因为这些设备的表面温度很难通过温度感应器测量。设备运行在低压蒸汽下，具有以下优点：可以减少锅炉的蒸汽负荷，因为在低压下蒸汽的蒸发焓较高。可以减少开式冷凝水回收罐中排气口产生的闪蒸蒸汽。目前使用的减压阀可以分为以下两种：直接作用式减压阀。先导式减压阀。直接作用式减压阀工作原理在启动时，压力调节弹簧处于放松状态。主阀阀芯在上游压力和回复弹簧的作用下与阀座接触，处于关闭状态。顺时针旋转调节手轮向下运动，压紧调节弹簧和波纹管以设定下游压力。向下的力作用在顶杆上，使主阀打开。蒸汽经过主阀到达下游管道和波纹管下方。 当

3、下游压力升高时，压力作用在波纹管下方以平衡调节弹簧的力，在到达设定压力时关闭主阀。阀门运行时，通过调节阀芯以控制压力稳定。为了关闭阀门，波纹管下方必须有压力积聚。这时需要的下游压力要比蒸汽流动时的设定压力高。随着负荷的降低，下游压力会增加，当阀门关闭时，下游压力最高。压力随着负荷的变化意味着下游压力只有在某一负荷时才等于设定压力。实际的压力与设定点的偏差是比例式的，随着负荷增加而增加，这个偏差通常称为”比例带”。用来关闭阀门的全部压力包括作用在波纹管下方的下游压力，作用在主阀底部的上游压力，以及回复弹簧产生的部分压力。因此为了设定下游压力，控制弹簧的压力必须大于减压后压力和进口压力以及回复弹簧

4、的力。任何进口压力的变化都会改变作用在主阀上的力，进而改变下游压力。该类型的减压阀主要有以下缺点：1.蒸汽流量变化时存在比例偏差。2.阀的排量相对较小。然而，如果蒸汽用量较小且比较稳定，且压力控制要求不高，那么使用该类型的减压阀完全可以满足要求。蒸汽需要减压的原因相当简单。每一个用汽设备都有其最大允许工作压力（MAWP）。如果该压力比蒸汽供应压力低，那么就需要一个减压阀将供汽压力降低到MAWP。在减压阀可能失效的情况下，系统中还必须安装安全阀。低排量直接作用式减压阀（见图7.3.1）5787.3.3第7章 控制系统硬件：自作用控制章节7.3 自作用压力控制系统及其应用蒸汽和冷凝水系统手册图7.

5、3.1 低排量直接作用式减压阀调节手轮调节弹簧 （控制弹簧）波纹管回复弹簧流体流向阀芯阀座在一些大型设备或蒸汽主管中，也可以见到一些大型的直接作用式减压阀。与低排量减压阀不同的是它执行器的力是通过执行器内部的膜片产生的，而不是波纹管。由于不是先导式结构，同样蒸汽流量的变化也会引起下游压力的变化，因此在选择该类阀门时必须小心。高排量直接作用式减压阀（见图7.3.2）5797.3.4章节7.3 自作用压力控制系统及其应用第7章 控制系统硬件：自作用控制蒸汽和冷凝水系统手册压力感应接头图7.3.2 高排量直接作用式减压阀减压阀调节螺母执行器弹簧图7.3.3 高排量直接作用式减压阀典型安装图流体流向汽

6、水分离器切断阀过滤器减压阀安全阀切断阀WS4 水封罐至少1m蒸汽冷凝水当使用在蒸汽系统中，该类型的阀门必须垂直向下安装，并安装水封罐以防止高温蒸汽接触并损坏膜 片，膜片通常由尼龙制成。蒸汽系统主管的典型安装图如图7.3.3所示。先导式减压阀 当需要精确控制压力或流量较高时，可以使用先导式减压阀。该类型的减压阀示意图见图7.3.4。在同样排量下，先导式减压阀的口径通常要比直接作用式减压阀小。5807.3.5第7章 控制系统硬件：自作用控制章节7.3 自作用压力控制系统及其应用蒸汽和冷凝水系统手册图7.3.4 先导式减压阀调节弹簧导阀膜片压力感应管导阀主阀回复弹簧主阀及顶杆 泄流孔主阀膜片 导阀压

7、力通过控制 孔与主隔膜内部相连高压低压控制压力先导式减压阀通过下游压力感应管感应下游压力并平衡控制弹簧的力。通过调节导阀的开度来控制下 游压力。流经导阀的控制压力与导阀的开度成比例并且直接作用在主阀隔膜的下方。主隔膜根据导阀的移 动来移动顶杆和主阀。尽管下游压力和导阀的位置是比例式的（和直接作用式减压阀一样），但主阀隔膜 与导阀隔膜之间的比例关系来的机械优点确保了阀门的比例带较小。 在稳定工况下，导阀隔膜下方的压力刚好平衡了控制弹簧的力。此时导阀开度保持稳定，保证主隔膜 下方的压力稳定，这样可以保证主阀开度稳定，进而保证了下游压力的稳定。 当下游压力升高时，导阀膜片下方的力大于控制弹簧的压力，

8、导阀膜片向上运动。这样就关闭了导阀， 切断了通往主阀隔膜下方的蒸汽。主阀隔膜的上方一直受下游蒸汽的压力，此时主阀隔膜上方的压力要大于 下方的压力，主阀隔膜向下运动将隔膜下方的蒸汽通过控制管和泄流孔排入下游管道。 任何负荷和压力的变化都会被导阀隔膜感应到，并相应地调整主阀的开度，确保下游压力的稳定。 先导式减压阀相对于直接作用式减压阀有很多优点。只需要少量的蒸汽流经导阀就可以压起主隔膜进 而完全打开主阀。因此，流量变化较大时，控制压力的变化很小。下游压力随蒸汽的负荷变化很小，通常从全开到全关的偏差小于0.03 bar（3kPa，0.5 psi）。尽管，上游压力的增大会增加作用在主阀阀芯上的力，但

9、同样的压力增大会作用在主阀隔膜下方，进而平衡阀芯上的作用力。这样，不管上游压力如何波动，下游压力都可以精确控制。在有些先导式减压阀中，使用活塞来代替主阀隔膜。这在大口径阀门上有一定的优点，因为大口径阀门需要很大的主阀隔膜。但是，活塞在缸体里的粘结现象相当普遍，尤其是在小口径阀门中。为了延长先导式减压阀的使用寿命，有必要在先导式减压阀的上游安装汽水分离器和过滤器，以保证蒸汽清洁干燥。减压阀的选择和安装选择减压阀的第一要素是根据应用选择合适类型的减压阀。负荷较小且控制压力要求不高的应用应选择简单的直接作用式减压阀。对于其它各种情况，先导式减压阀是最好的选择，尤其是无负荷时下游压力不允许升高的情况。

10、任何一种控制阀都不能选型过大，减压阀也是如此。阀芯太靠近阀座时，湿蒸汽流过时会产生抽丝和冲蚀。另外，阀芯的任何微小移动都会导致流经阀门的流量大的波动，导致阀门很难精确控制压力。选型正确的阀门不易磨损且压力控制精确。当减压比较大或流量波动较大时，可以多个阀门串联或并联使用。减压阀的理想的安装布置图。尽管减压阀的可靠性和精度依赖于正确的选型，减压阀同样也依赖于正确的安装。图7.3.5为先导式5817.3.6章节7.3 自作用压力控制系统及其应用第7章 控制系统硬件：自作用控制蒸汽和冷凝水系统手册带开关控制基本型导阀型减压阀电磁阀可切断通往主隔膜的蒸汽高压 蒸汽进冷凝水冷水分离器过滤器切断阀减压阀安

11、全阀切断阀低压 蒸汽出图7.3.5 减压站的典型安装图许多减压阀的问题都是由水分和杂质引起的。如果在减压阀上游安装了汽水分离器和细目（100目）的过滤器，则会防止此类问题的发生。过滤器应侧装以防止内部积水并保证滤网的全部面积都有效流通蒸汽。大口径的截止阀由于安装在过滤器下游也同样受益。所有上下游的管道及其它附件都必须正确选型，以确保唯一的压降只在减压阀内产生。如果截止阀和减压阀同口径，它们会比正确选择的阀门产生更大的压降，正确的截止阀口径应该和上下游管道一样。如果下游管道或所连接的设备不能承受上游蒸汽所产生的最大压力，那么在下游必须安装安全阀。该阀门应设定在等于或低于下游设备的最大允许工作压力

12、，但应该有足够的余量高于其正常工作的压力。安全阀的排放能力必须大于减压阀在上游可能的最大压力下全开时的蒸汽流量。先导式结构可以使减压阀在相同排量下比其它减压阀结构更紧凑，并且可提供其它控制方式，如开关式、双压力控制、压力和温度控制、减压和溢流控制以及远程手动调节等。这些衍变可以见图7.3.6。直接作用式和先导式控制阀可以用来控制上游或下游压力。稳压阀(和溢流阀)感应上游压力，而减压阀感应下游压力。5827.3.7第7章 控制系统硬件：自作用控制章节7.3 自作用压力控制系统及其应用蒸汽和冷凝水系统手册直接作用式 先导式 波纹管控制 膜片控制 排量小 排量大 排量大 紧凑 相对较大 相对其排量较

13、紧凑价格低 坚固 特别精确 稳定负荷 稳定负荷 变化负荷 粗略控制 粗略控制 精确控制 减压阀总结图7.3.1不同类型减压阀的典型特征感应并控制下游压力的阀门通常称为减压阀(PRV)。这种阀门可以用来控制进入控制阀、流量计、或直接进入设备的蒸汽压力稳定。稳压阀图7.3.6 先导式减压阀的四种补充类型带温度控制双压力控制可切换导网在有些应用中，需要感应并控制上游压力，该种类型的阀门通常称为稳压阀（PMV），在有些场合也称为溢流阀。使用溢流阀的一个应用是蒸汽锅炉选型过小，但是蒸汽用量对制程应用非常关键。如果蒸汽需求大于锅炉的出力，或者在锅炉的燃烧器处于熄火时负荷突然增加，那么锅炉的压力会下降，进而

14、会导致湿蒸汽输出至设备，且锅炉运行可能会受到危害。如果锅炉可以运行在设定压力，那么可提供最佳品质的蒸汽。这时可通过在非关键用汽设备（如采暖或生活热水设备）前安装溢流阀实现，也就是引入了多样化的控制方式。这些阀门在上游压力下降时关闭，首先供汽给关键应用。如果所有的用汽都很重要，还可以提供其它选项，每一种的费用都不相同。压力，控制锅炉的最大流量并且保证供给设备的蒸汽品质良好。如果可以在高峰负荷时关闭非关键设备，可以在通向这些设备的分支管道上安装溢流阀。当蒸汽最经济的方法是在锅炉出口安装一个溢流阀（见图7.3.7PMV1）。这样可以保证锅炉内蒸汽的最低锅炉超载时，PMV2慢慢关闭，切断非关键设备的用

15、汽，保证供给关键设备的蒸汽有足够的压力。5837.3.8章节7.3 自作用压力控制系统及其应用第7章 控制系统硬件：自作用控制蒸汽和冷凝水系统手册图7.3.7 PMV的安装位置图7.3.8 典型的锅炉和蓄热器的布置锅炉气水分离器PMV 1PMV2关键设备积水槽 及疏水阀组BoilerPMVPRV2低压 蒸汽高压蒸汽（HP）PRV1蓄热器需要说明的时，PMV并不能完全解决由于锅炉负荷不足带来的问题。有时，当系统比较简单时，唯一可能的解决方法，就是另外增加一台锅炉增加蒸汽的产量。但是，也有些场合可以采用较便宜的蓄热器。蓄热器储存锅炉在低峰负荷时的多余能量。当锅炉在图7.3.8中，锅炉设计运行压力1

16、0 bar g，分两路输出，一路10 bar g，一路5 bar g。出力不足时，蓄热器可以增加蒸汽的供应（见图7.3.8）。PRV1是减压阀，根据锅炉的出力减去高压蒸汽的负荷选型。减压阀PRV2的排量应根据蓄热器设计运行的最大排放量和时间来确定，同时其设定差压应为蓄热器运行的最低压力和低压蒸汽（LP）的压差。在此例中，PRV2的设定开启压力为4.8 bar g。PMV是稳压阀，它的口径由蓄热器所需的蓄热时间和锅炉在其蓄热过程中所能提供富余出力确定。蓄热时，经过PMV的压力降相当小，因此PMV的尺寸都比较大，一般与所安装的管道同口径。PMV的设定压力一般仅比锅炉的最大设定压力低一点。当全部用汽负荷小于锅炉出力时，PRV2关闭，锅炉经过PRV1向低压系统供汽，PRV1的设定压力要稍高于PRV2。锅炉富余的蒸汽会导致锅炉的压力上升并超过PMV的设定点。PMV打开向蓄热器蓄热。蓄热过程一直持续到蓄热器压力等于锅炉压力，或设备用汽负荷上升导致锅炉压力低于PMV的设定压力。5847.3.9第7章 控制系统硬件：自作用控制章节7.3 自作用压力控制系统及其应用蒸汽和冷凝水系统手册