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1、6.4.1蒸汽系统的控制阀选型 章节6.4第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置蒸汽和冷凝水系统手册6.4蒸汽系统的 控制阀选型4896.4.2蒸汽系统的控制阀选型 章节6.4第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置蒸汽和冷凝水系统手册蒸汽系统的控制阀选型在讨论蒸汽系统的控制阀的选型之前，有必要对蒸汽在换热应用中的一些特性做一下回顾。蒸汽以特定的压力供给至控制阀上游，通过控制阀进入换热器，换热器也工作于特定压力。蒸汽通过控制阀进入设备换热空间，同换热器表面接触。蒸汽在换热表面冷凝，产生冷凝水。冷凝水的体积比蒸汽的体积小很多，也就是说，当蒸汽冷凝后，蒸汽空间的压力下降。蒸汽空间压力下降会导致控
2、制阀的上下游存在压差，蒸汽会从高压区（控制阀上游）流向低压区（设备内的蒸汽空间），流量同压差成某种比例关系，与蒸汽冷凝的速率平衡。进入蒸汽空间的蒸汽量取决于压差和阀门的口径。在任何时候，如果通过阀门的蒸汽量小于蒸汽的冷凝量（可能阀门太小），换热器内的蒸汽压力和换热率会减小到要求值以下，换热器就无法满足所要求的热负荷。 如果使用调节控制系统，当制程的温度接近控制器的设定值时，控制器会将阀门关小相应的量，因此会减小蒸汽的量来维持低热负荷下所需要的低压。（阀门的开启和关闭通常指的是“阀关小阀门会减小流量，蒸汽空间的压力和温度下降。这样蒸汽和制程之间的温差会减小，换热率门开度”的增加和减小；详细内容会
3、在6.5节“控制阀特性”中介绍）。会降低，其关系如公式2.5.3所示。公式2.5.310 bar g P1P2DN50 控制阀9.5 bar g式中：Q = 单位时间的换热量(W (J / s)； U = 总的换热系数 (W/m2)； A = 换热面积(m2) ；TM = 蒸汽和二次侧流体间的平均温差 ()。 侧到二次侧的换热量也会减少。饱和蒸汽流过控制阀换热器的制造商会按照一定的输出热量要求进行设计。为达到这个热量输出，在换热表面（如壳管式换热器的换热盘管内侧）需要一定的饱和蒸汽温度。对饱和蒸汽，温度和压力一一对应，因此通过控制蒸汽的压力就可以很简单实现温度控制。（和温度）相对较高。因此，为
4、达到设计负载所需要的换热盘管相对较小。小了，所以通过阀门的压降会增大，进入换热盘管的蒸汽的压力（和温度）会降低。因此，为达到同样的热负荷所需要的换热面积会增加。换句话说，需要一个稍大一点的换热盘管或换热器。继续减小阀门的口径，相同流量的蒸汽通过控制阀的压降会更大，为了维持相同的热量输出需要进一步增加换热面积。Q = UATM 总换热系数（U）不会有大的改变，面积（A）是固定的，因此如果平均温差（TM）减小，从蒸汽假设控制阀前蒸汽的供汽压力是10 bar g，一定流量的蒸汽通过控制阀进入换热器。阀门处于全开状态（见图6.4.1）。如果安装的阀门是DN50，阀门处于全开状态，通过阀门的压降相对较小
5、，供给换热器的蒸汽的压力现在考虑，一个DN40的阀门处于全开状态，通过与DN50阀门相同的流量。因为阀门的流通面积变4906.4.3蒸汽系统的控制阀选型 章节6.4第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置蒸汽和冷凝水系统手册不管阀门口径多大，当制程的需求量减小时，阀门必须从全开向关的位置调节。但是，在最初一量的改变，可以得到比较好的调节。如果选择大的控制阀，可以看到控制作用小的起始行程部分会增大，而在全负载的时候的压降也比较小。当控制阀选得足够小的话，全负载的时候需要“临界压降”，这种行程的影响就会消失。临界压降会在下面的部分进行介绍。此外，如果选择大的控制阀，阀门流通面积增大，给定流量的改变
6、需要的阀门行程的改变会比小口径控制阀要小。这样经常会引起控制不稳定，增加“振荡”的可能性，尤其是在负荷减小时。临界压力通过控制阀的质量流量会随着压差的增大而增加，直到达到“临界压力”状态。我们可以通过喷嘴的工作原理以及同控制阀的比较来进行解释。确设计，其形状可以满足高效运行。 图6.4.2 一个渐缩渐扩喷嘴流向高压进口喉口流线流向低压出口10 bar g P1P2DN40 控制阀9 bar g10 bar g P1P2DN32 控制阀5 bar g图6.4.1 通过全开的控制阀的流动段行程内调节作用比较小，阀门行程的变化百分比引起很小的流量的变化百分比。通常，10%的行程变化可能只引起5%的流
7、量改变。行程更大时，当阀芯接近阀座时，5%的行程的改变可能会引起10%的流假设一个接近理想的小孔，如图6.4.2所示的渐缩渐扩喷嘴。如果按照上下游压力和供汽条件进行正4916.4.4蒸汽系统的控制阀选型 章节6.4第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置蒸汽和冷凝水系统手册这样的喷嘴可以认为一种热力机，将热能转变为机械能（动能）。设计要求是在给定的压降下释放所要求的蒸汽量，同时产生的紊流和摩擦损失最小。在收缩段，随着压力的降低，蒸汽的比容增加，但蒸汽流速随着压力的降低而增加。开始时，流速的增加远远快于比容的增加，通过这部分喷嘴所需要的流通面积减小。在某个点，比容的增加快于流速的增加，流通面积必
8、须更大。在此点，蒸汽流速达到音速，流通面积为最小值。在这个最小流通面积或“喉口”处的蒸汽压力称作“临界压力”，如果是饱和蒸汽的话，可以发现这个压力同初始压力（绝对压力）的比值接近0.58。显然，在“临界压降”下通过给定大小的喉口的流量最大。为了达到更大的流量，那么： 因此，一旦在喷嘴喉口达到了临界压降，或者在使用孔板时候达到“最小缩流断面”，进一步减小下游压力不能再增加流过设备的流量。如果通过整个喷嘴的压降大于临界压降，在喉口就会产生临界压力。通过喉口以后，蒸汽会膨胀，如果出口面积正确选型，在喷嘴出口处达到所需的下游压力，当蒸汽以高速流出喷嘴时产生的湍流很小。如果喷嘴的出口过大或过小，在喷嘴出
9、口处会出现湍流，引起流量减小和噪声增加：如果喷嘴出口过小，蒸汽无法足够膨胀，只能在下游管道中继续膨胀，直到在低压区达到下游压力。 如果喷嘴出口过大，蒸汽在喷嘴内膨胀过度，出口蒸汽的压力低于所要求的压力值，使得蒸汽在出口外再次压缩至所需的低压值。公式6.4.1值得指出：临界压力比可以用公式6.4.1表示。 是给定值：湿蒸汽： = 1.035 + 0.1(x) “x”是蒸汽干度，0.8 x 1干饱和蒸汽： = 1.135 过热蒸汽： = 1.3对干饱和蒸汽，使用等式6.4.1：临界压力会由于流体的特性而有轻微的改变，尤其与蒸汽（或其它气体）的比热比cp/cv有关，称为流体绝热指数或等熵幂，用符号“
10、n”、“k”、或“”表示。过热蒸汽是0.55，空气是0.53。喷嘴的形状（图6.4.3）是平滑的轮廓线，使最小缩流断面发生在喷嘴的喉口处。（棱边形状的小孔最小缩流段面发生在小孔的下游。最小缩流断面的影响的详细内容会在4.2节“流量计原理”介绍。）a. 增大流速，只有通过增大压降实现 - 但同时也会更大程度上增大比容，或：b. 减小比容，只有减小压降实现 - 但同时也会更大程度地减小流速。临界压力比临界压力比4926.4.5蒸汽系统的控制阀选型 章节6.4第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置蒸汽和冷凝水系统手册流向高压区喉口流线流向低压区图6.4.3 渐缩渐扩喷嘴控制阀可以同渐缩渐扩喷嘴作类
11、比，两者都有一个高压区（在阀门进口）、一个缩流断面（在阀芯和阀座之间的进口）、一个喉口（阀芯和阀座之间最窄的间隙）、一个扩流断面（从阀芯和阀座的出口）和低压区（阀体下游）。见图6.4.4。图6.4.4 控制阀内的渐缩渐扩管原理阀座喷嘴和控制阀具有不同的功能。喷嘴主要设计用于增加蒸汽的流速以提高做功（可能是驱动汽轮机叶片），因此蒸汽在喷嘴出口的流速依然很高。相反，控制阀是一种限流或“节流”设备，设计用于使蒸汽流产生明显的压降。控制阀喉口的出口蒸汽流速同蒸汽离开渐缩渐扩喷嘴时的状态相似；因此在喉口以后阀芯和阀座之间的渐扩通流段，蒸汽膨胀，流速增加。如果通过阀门的压降大于临界压降，因为压力小于喉口处
12、的压力，在该区域蒸汽流速会增至超音速。过了这一点，蒸汽进入阀体内（低压区）相对较大的腔体，由于连接管道内的背压作用，蒸汽处处基本相同。其中微小的区别是由于流过阀门时的摩擦造成能量损失。低压区渐扩区 喉口 渐缩区高压区流向低压处阀芯于相对高压，引起流速和动能的快速下降。按照稳定流动能量方程（SFEE），蒸汽的焓值增加至同进口4936.4.6蒸汽系统的控制阀选型 章节6.4第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置蒸汽和冷凝水系统手册从这一点开始，阀体内的蒸汽流渐缩至阀门出口，压力（和密度）接近下游管道的压力（和密度）。当这个压力稳定后，对应于阀门进口截面的流速也稳定。图6.4.5 渐缩渐扩渐缩的阀
13、体至控制阀“腔室”的渐扩区至控制阀出口的渐缩区高压进入管道流向低压流出管道在阀芯和阀座之间的渐扩区控制阀喉口流向至控制阀喉口渐缩区低压区当通过控制阀的压降大于临界时，在低压区由于大量的动能和热能之间瞬时转换而产生噪声，有时会由于超音速的蒸汽的存在加剧这种状况。阀门出口流速、噪声、冲蚀、干度和过热的影响在进行控制阀选型时，噪声是需要考虑的一个很重要的因素，不仅是因为它会增加声音等级，同时会产生振动损坏阀门的内部件。可以使用特殊设计的降噪阀内件来降低噪声，但是更加便宜的解决方法是安装一个稍大一点的阀门。计算控制阀产生的噪声的方程很复杂，很难进行人工计算。通常认公式6.4.2式中：C = 蒸汽中的音
14、速 (m/s)； 31.6 = 比例常数； = 蒸汽的绝热指数(饱和为1.135，过热为1.3)； R = 0.4615 蒸汽的气体常数 (kJ/kg)； T = 蒸汽的绝对温度 (K)。另外有一个稍微粗糙但是很有用的方法，可以估算噪声是否构成问题，就是计算阀门的出口流要求的流量）。高流速还会产生阀体下游的冲蚀，尤其是当蒸汽比较潮湿的时候。通常建议是湿蒸汽的出口流速最大为40m/s。通过控制阀压力下降产生的另一个问题是蒸汽干度增大或者产生过热，这取决于进入阀门的工况。在加热工艺中通常不希望有大的过热度存在，因此确定是否发生过热很有必要。对于过热蒸汽图6.4.5的示意图用虚线表示了通过阀门时体积
15、的相对改变量。为如果干饱和蒸汽在控制阀出口的流速大于0.3马赫数的话，产生的噪声将无法接受。声音在蒸汽中的流速取决于蒸汽的温度和品质，在条件已知的情况下用公式6.4.2来计算。（马赫数1=音速）速。简单来说，对干饱和蒸汽，如果阀门的出口流速大于150m/s，那么阀体选型太小（即使阀芯能满足所（和干气体），允许的阀门出口流速可以达到0.5马赫数；但是，液体的出口流速必须小于10m/s。C = 31.6 R T 4946.4.7蒸汽系统的控制阀选型 章节6.4第6章 控制硬件：电动/气动自动驱动装置蒸汽和冷凝水系统手册体积流量 = 1300 kg / h x 0.391 8 m3 / kg= 50
16、9.3 m3 / h= 0.1415 m3 / s控制阀出口流速 = 体积流量出口面积= 0.1415 m3 / s 0.000 49 m2= 289 m / s需要检查一下出口流速是否超过0.5马赫数，这是过热蒸汽的阀门出口流速的限定值。音速（马赫数1）可以用公式6.4.2计算得到。控制阀的进口蒸汽是来自汽水分离器压力为12 bar g的干饱和蒸汽，经控制阀在满负载下将压力减到4 bar g。满负载流量为1300kg/h，需要的Kvr是8.3。最初选用DN25（1“）的控制阀，其Kvs是10，阀门的出口面积为0.00049m2。蒸汽的出口流速是多少？ 确定蒸汽在出口4 bar g下的状态。按照以下步骤计算蒸汽的干度和过热度： 查蒸汽表，上游干饱和蒸汽的全热(hg)在12 bar g = 2787kJ/kg ，因为上游蒸汽处于干饱和状态，经过控制阀后蒸汽必定处于过热状态；因此需要使用过热蒸汽表来对蒸汽的特性进行量化。使用斯派莎克网站上的蒸汽表，选择“过热蒸汽”，输入参数“4
