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1、 油 气 储 运 2008年机械设备波纹管平衡型自力式压差调节阀分析李 树 勋3张 喜 军 谢 刚 把 桥 环(兰州理工大学) (中国石油兰州石化公司) (兰州理工大学)李树勋 张喜军等:波纹管平衡型自力式压差调节阀分析,油气储运,2008 ,27(3) 4446 ,55。摘 要 介绍了波纹管平衡型自力式压差调节阀的结构与工作原理。通过对波纹管平衡型自 力式压差调节阀与无平衡元件的自力式压差调节阀的比较,总结出了波纹管平衡型自力式压差调节阀的特点与优点,可为自力式调节阀的选用提供参考。主题词 自力式压力调节阀 结构原理 波纹管 特点一、 前 言自力式压差调节阀无需外加能源,利用被调介 质自身能
2、量为动力源引入执行机构控制阀芯位置,改变两端的压差和流量,使阀前(或阀后)压力稳定, 具有动作灵敏,密封性好,压力设定点波动力小等优 点,它集检测、 控制、 执行诸多功能于一阀,自成一个 独立的仪表控制系统。按阀后、 阀前控制分为两类, 即自力式阀后(减压)调节阀和自力式阀前(泄压)调节阀,广泛用于城市集中供热、 供水、 供气等民用行 业及石油、 化工、 电力、 冶金、 轻纺等工业领域,可对 蒸汽、 液体、 气体及燃气等介质进行减压稳压或泄压 稳压的自动控制1。为了方便自力式压差调节阀的选型与维护,需要深入的探究其基本原理。通过对比自力式阀后(减压)类型的两种自力式 压差调节阀,分析了波纹管平
3、衡型自力式压差调节 阀的工作原理和优点。二、 波纹管平衡型自力式压差 调节阀的结构和原理1、 结 构 波纹管平衡型自力式压差调节阀由阀体、 阀杆、 阀芯、 波纹管平衡件、 阀座、 弹簧、 膜片、 引压管组成。 波纹管平衡件内腔与阀出口连接,而波纹管平衡件外腔则通过引压管与阀入口连接。作为执行机构膜 片一端与阀杆连接,另一端则通过引压管与阀出口连接(见图1)。2、 工作原理 如图1所示,阀前压力P1经过阀芯、 阀座后, 减为阀后压力P2, P2经过管道输入上膜室内反馈 作用到调节阀的执行元件膜片上,产生的作用力与弹簧的反作用力相平衡,决定了阀芯、 阀座的相对位 置,控制阀后压力P2。当P2升高时
4、, P2作用在膜 片上的作用力也随之增加。此时,膜片上的作用力 大于弹簧的反作用力,使阀芯向关向阀座的位置移 动。这时,阀芯与阀座之间的流通面积减少,流阻变 大, P2降低,直到膜片上的作用力与弹簧反作用力相平衡为止,阀芯便停留在新的平衡位置上,从而使P2降低,压力达到设定值,阀后压力得到稳定2。图1 波纹管平衡型自力式压差调节阀结构3730050,甘肃省兰州市兰工坪路85号;电话:13359432209。44三、 波纹管平衡型与无平衡元件的 自力式压差调节阀的比较1、 无平衡元件的自力式压差调节阀的受力 分析 无平衡元件自力式压力调节阀的结构及其静态力平衡分析见图2,当工作点设定好以后,弹簧
5、的预 载一直增加,直到达到能够控制系统所要求的设 定值:FF=FM-FK=kFx=P2AM-PAS(1)P=P1-P2式中 FF 弹簧力;kF 弹簧刚度;x 弹簧压缩量;FM 作用于膜片上的力;FK 作用于阀芯上的力;AM 膜片面积;P 上下游压差;AS 阀座面积。 由式(1)可知,系统的扰动变量是上下游压力差 P,流体通过阀体部件,上下游压力分别作用于阀芯阀杆上,阀芯受到静压和动压所产生的作用力,如 果压力差很大或阀座直径大由此产生的阀芯力也就 很大,将会增加阀体内阀芯与阀座之间的静摩擦力 和滑动摩擦力。图2 无平衡元件的自力式压差调节阀由于没有采取压力平衡措施,无平衡元件自力 式压差调节阀
6、的性能受调节阀进出口压力变化影响较大,导致调节阀的调节精度和适用压力范围受到 限制。对于单座调节阀,其不平衡力较大,特别在高 压差大口径场合不平衡力则更大。为了减少不平衡 力的不利影响,提高调节阀性能,在设计中设计了压 力平衡系统,即波纹管平衡型自力式压差调节阀(见图3) ,通过引压管将调节阀进出口压力引入到压力 平衡元件 波纹管的内外表面,波纹管将相应的 伸长或缩短,从而平衡了阀门进出口压差对阀芯的 扰动作用力,使调节阀的性能有较大提高2。2、 波纹管平衡型自力式压差调节阀关键部件的受力分析(1)波纹管平衡机构作用于阀芯的力的分析由式(1)可知,弹簧刚度的变化、 薄膜有效面积 的变化以及阀杆
7、和填料之间的摩擦力会使执行机构 产生非线形偏差和行程偏差,采用了波纹管压力平衡机构,由波纹管作为平衡件平衡阀芯力,下游压力P2作用于波纹管内表面,上游压力P1作用于波纹 管外表面,这样作用于阀芯上的上游和下游的压力 就可相互平衡:FK=PAS=PAB=FB(2)式中 AB 波纹管横截面积;FB 作用于波纹管的力。图3 波纹管平衡型自力式压差调节阀如果AB、AS的有效面积可以保持恒等,并且假 设阀芯阀杆的相交叉部分面积忽略不计,用作用在波纹管上的力是可以补偿阀芯力FK的,平衡阀芯 力是为了实现控制过程的精度。(2)自力式压差调节阀膜片力的平衡分析联立式(1)、 式(2)可以得出:54第27卷第3
8、期 李树勋等:波纹管平衡型自力式压差调节阀分析 P2AM=kFx=kF(l+xpl)=kFl+kFxpl(3)P2=kF AMx=kF AM(l+xpl)=kF AMl+kF AMxpl(4)式中 l 阀芯位移;xpl 弹簧的预载压缩量。 由式(4)可知,随着出口压力成比例变化的弹簧 的形变量x的变化等同于阀门行程的变化。 P和 l的关系是不变的,基本上是膜片的大小及弹簧的刚度所决定的一个静态常数。(3)弹簧复位力根据图3,弹簧复位力为:FF=FM=( kF+kB)x+Fpl(5)式中 x 弹簧、 波纹管位移;kB 波纹管刚度;Fpl 弹簧预载附加力。 由图2和图3中静态平衡力的分析比较可得,
9、 压力平衡阀相对于非平衡阀要求较小的执行机构 力。又根据式(5)可知,弹簧复位力与波纹管的弹性 也有关连。四、 波纹管平衡型自力式压差 调节阀的选用和安装1、 特 点波纹管平衡型自力式压差调节阀具有以下 特点。(1)无需外加驱动能源的节能型自控系统,设备费用低,适用于爆炸性环境。(2)结构简单,维护工作量小。(3)设定点可调,且范围较宽,便于用户在设定范围内连续调整。 由于其具有波纹管压差平衡机构,关闭时阀泄 漏量小,并且系统的扰动变量是阀前、 阀后压力差, 对阀芯的作用力大大减小,作用在波纹管上的力用来补偿阀芯力,使得调节阀反应灵敏、 控制精度较 高、 允许压差较大。适用于工业生产过程中对各
10、种 气体、 蒸汽进行精密稳压的场合,特别适用于城市供 热、 供暖及无外界供电、 供气且又需控制流体及气体 压力的场合。据报道,城市供热、 供暖系统采用自力式压差调节阀,节能效率比以前提高30 %40 % ,节能效果显著3。2、 自力式压差调节阀的选用 根据文献4对气动薄膜执行机构的动态特性 的分析可知,自力式压差调节阀是一种纯比例调节 系统,比例控制的优点是反应快,控制及时,缺点是存在余差。调节精度一般为 5 % 10 %。适用 于调节品质要求不是很高的场合。 对波纹管平衡型自力式压差调节阀与无平衡元 件的自力式压差调节阀的比较可知,波纹管平衡型 自力式压差调节阀反应灵敏,控制精度相对较高,允
11、许压差较大,但是波纹管平衡型自力式压差调节阀 相对于普通自力式压差调节阀造价较高,使用寿命 由于有波纹管平衡件原因而相对较低,管理维护也 较为复杂。3、 安装方法波纹管平衡型自力式压差调节阀符合一般自力 式压差调节阀的安装要求,在供热系统中安装方式 如图4所示。自力式压差调节阀安装方式原则上宜 采用气体介质正立安装(执行机构在上、 阀体在下) ,液体与蒸汽介质倒装。气体介质温度高于70,低于140、 液体介质温度高于140 时,自力式压力 调节阀除采用倒装外,还应在引压管路上加装隔离 罐,并应在引压管路、 隔离罐、 膜头处注满冷媒,以防 膜片受高温老化。由图4可知,在安装供热系统时要注意,当介
12、质温度小于70 时,自力式压力调节阀可采用正立安装,而当介质温度大于70 时,自力式压差调节阀 (下转第55页)64油 气 储 运 2008年 (2)不同型号输油泵一调一定并列运行时,如果能达到调速泵在额定转速时高效段右端点扬程与定 转速泵高效段左端点扬程相等,则可以实现最大范 围的调速运行,但是此时调速泵与定速泵不能互换 并列运行。3、 电机效率对调速范围的影响 在工况相似的情况下,一般有Nn3,因此随着 转速的下降,轴功率会急剧下降,但是如果电机的输 出功率过度偏移额定功率,会使得电机效率下降过 快,最终影响到整个输油泵机组的效率。4、 管路特性曲线对调速节能效果的影响 虽然改变输油泵性能
13、曲线是泵节能的主要方 式,但在不同的管路特性曲线中,调速节能效果的差 别却是十分明显的。在设计工况相同的三个输油系 统里最大设计工况点均为A点,均需将流量调为Qb,输油泵型号相同,但管路特性曲线却不同,分别为, H=H1+S1Q2( H0=H1) ; H=H2+S2Q2( H0=H2, H1H2) ; H=S3Q2( H0=H3= 0)(见图4)。显然,如果采用关阀调节,三个系统满足流量Qb的工况点均为B点,对应的轴功率为Nb;若采用调速运行,则三个系统满足流量Qb的工况点分别为C, D , E点,其对应的运行转速分别为n1, n2, n3,相 应的轴功率分别为Nc, Nd, Ne。由于NQH
14、 ,所 以各点轴功率满足NbNcNdNe。图4 管路特性曲线对调速节能的影响由此可见,在管路特性曲线为H=H0+SQ2 的系统中采用调速节能时, H0越小,节能效果越 好。反之,当H0大到一定程度时,受电机效率下降 和调速系统本身效率的影响,采用变频调速可能并不节能,甚至增加能源浪费。 综上所述,输油泵机组变频调速节能技术是实 现输油系统节能的有效技术途径,它将阀门节流工 况调节方式改为输油泵的变频工况调节方式,具有 调节方便的特点,有效避免了输油泵出口阀的节流损失,产生了巨大的功能效益,同时还可以较好的减 少输油泵机组的机械冲击、 摩损和噪音,延长输油泵 机组的维护保养周期及使用寿命等。(收
15、稿日期:2007204209)编辑:杜 娟(上接第46页)应采用倒立安装。当介质温度较高采用倒立安装的 主要原因是,倒立安装可通过引压管上装有的冷凝 器,以防引压管内高温蒸汽的流向与冷凝水的流向 相反而造成引压管阻塞;再者,执行机构膜片一般不 耐高温,若高温蒸汽介质直接通过引压管作用于膜 片,膜片的力学性能将会下降。五、 结 论波纹管平衡型自力式压差调节阀采用有效的压 力平衡措施,主要用于对管道系统中的介质压力进 行自动调节,并输出恒定的压力值,以防止管道内介 质压力的波动而造成管道及阀门的损坏,保证管道 系统的安全运行。由波纹管作为平衡元件平衡阀芯 力,使调节阀反应灵敏、 控制精度高、 允许压差大。波纹管平衡型自力式压差调节阀能依靠介质自 身的压力变化达到自动调节和稳定压力的目的,适 用于蒸汽、 非腐蚀性气体及低粘度液体的场合,特别适用于城市供热、 供暖及无外界供电、 供气等对调节 品质要求不是很高的控制压力的场合。参 考 文 献1, 周国熙:调节阀使用与维修,化学工业出版社(北京) ,1997。2, 韩吉田 裘烈钧 李广文等:新型低压自力式压力调节器的研制,山东机械,1994(2)。3, 侯鹏倩:自力式调节阀及其应用,
