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0 概述
通過設(shè)計(jì)“神木化工”自備電廠機(jī)組，給水調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)，加深了對(duì)調(diào)節(jié)閥的認(rèn)識(shí)，體會(huì)到了調(diào)節(jié)閥的重要性，在現(xiàn)代流程工業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥起著十分重要的作用，工廠的生產(chǎn)取決于流動(dòng)著的液體和氣體的正確分配和控制。這些控制無論是能量的交換、壓力的降低或者是簡(jiǎn)單的容器加料，都需要靠某些最終控制元件去完成。最終控制元件可以認(rèn)為是自動(dòng)控制的“手腳”。在調(diào)節(jié)器（DCS）的低能量級(jí)和執(zhí)行流動(dòng)控制所需的高能級(jí)功能之間，最終控制元件完成了必要的功率放大作用。
調(diào)節(jié)閥是最終控制元件的最廣泛使用的型式。在“神木化工給水調(diào)節(jié)閥項(xiàng)目”中也不例外，所有的調(diào)節(jié)控制回路中都是使用調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量、液位、壓力、溫度控制。控制效果的好壞，調(diào)節(jié)閥工作壽命的長(zhǎng)短，主要取決于調(diào)節(jié)閥的選型是否合理。合理的選型不但可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制、提高生產(chǎn)效率；還可延長(zhǎng)閥門的使用周期，降低維護(hù)費(fèi)用及生產(chǎn)成本。
1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及功能
要正確使用調(diào)節(jié)閥，尤其是選擇調(diào)節(jié)閥，必須首先弄清楚調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及使用功能，做到有的方矢，方能選好所需的調(diào)節(jié)閥。
1.1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)
什么是調(diào)節(jié)閥？國(guó)際電工委員會(huì)IEC對(duì)調(diào)節(jié)閥做了定義：“工業(yè)過程控制系統(tǒng)中由動(dòng)力操作的裝置形成的終端元件，它包括一個(gè)閥體部件，內(nèi)部有一個(gè)改變過程流體流率的組件，閥體部件又與一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接。執(zhí)行機(jī)構(gòu)用來響應(yīng)控制元件送來的信號(hào)。”可見，調(diào)節(jié)閥是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體部件兩部分組成，即：調(diào)節(jié)閥=執(zhí)行機(jī)構(gòu)+閥體部件。
1.2 調(diào)節(jié)閥的功能
調(diào)節(jié)閥的主要功能有：調(diào)節(jié)功能、克服壓差功能、耐溫功能、耐壓功能、切斷功能、耐蝕功能等。
1.2.1 調(diào)節(jié)功能
顧名思義，調(diào)節(jié)閥的首要功能就是調(diào)節(jié)，其主要表現(xiàn)在5個(gè)方面：
1.2.1.1 流量特性
流量特性是反映調(diào)節(jié)閥的開度于流量的變化關(guān)系，以適應(yīng)系統(tǒng)的特性要求，如對(duì)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)反應(yīng)速度快需對(duì)數(shù)特性；對(duì)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)反應(yīng)速度慢，需線性流量特性。流量特性反映了調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
1.2.1.2 可調(diào)范圍R
可調(diào)范圍反映調(diào)節(jié)閥可控制的流量范圍，用R=Qmax：Qmin之比表示，R越大，調(diào)節(jié)流量的范圍越寬，性能指標(biāo)就越好，通常閥的R=30。
1.2.1.3 小開度工作性能
有些閥受到結(jié)構(gòu)的限制，小開度工作性能差，產(chǎn)生啟跳、振蕩，R變得很小（即Qmin很大），如雙座閥、襯膠蝶閥。好的閥小開度應(yīng)有微調(diào)功能，既可滿足很小流量的調(diào)節(jié)，且工作又要求十分平衡，這類閥如V型球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、全功能超輕型調(diào)節(jié)閥。
1.2.1.4 流量系數(shù)Kv
流量系數(shù)表示通過流量的能力，同口徑Kv值越大越好。
1.2.1.5 調(diào)節(jié)速度
滿足系統(tǒng)對(duì)閥動(dòng)作的速度要求。
1.2.2 克服壓差功能
它通常用閥關(guān)閉時(shí)的壓差來表示，允許壓差越大，此功能也就越好。如果考慮不周到，閥芯就會(huì)被壓差頂開，造成閥關(guān)不到位，泄露量超標(biāo)。因此，保證閥切斷就必須克服閥關(guān)閉時(shí)的工作壓差。
1.2.3 耐溫功能
滿足不同溫度條件下閥的強(qiáng)度和性能，溫度的較大變化會(huì)使閥體材質(zhì)的強(qiáng)度降低，因此閥必須滿足介質(zhì)的溫度變化范圍的要求，使閥在工作溫度下有較好的強(qiáng)度和安全保證。
1.2.4 耐壓功能
它反映閥的強(qiáng)度和安全指標(biāo)，即介質(zhì)不能通過密封處和閥體缺陷處向外滲漏。出廠時(shí)通常用1.5倍公稱壓力作試驗(yàn)來檢驗(yàn)。對(duì)高壓介質(zhì)最好是采用鍛件結(jié)構(gòu)，鑄鋼閥的耐壓強(qiáng)度是最低的，通常選用的鑄鋼閥。
1.2.5 切斷功能
切斷由閥的泄漏量小于0.001%，它反映閥的內(nèi)在質(zhì)量。
1.2.6 耐蝕功能
抵抗介質(zhì)的腐蝕和沖蝕，以提高閥的使用壽命。閥的腐蝕是由介質(zhì)的化學(xué)性能引起的材質(zhì)腐蝕問題，通常選用耐腐蝕的材料來解決，沖蝕是有高速流動(dòng)的介質(zhì)、含顆粒的介質(zhì)和產(chǎn)生閃蒸被空化的介質(zhì)所致。解決的途徑是選用耐磨的材料，結(jié)構(gòu)上采用反汽蝕、反沖蝕的措施，對(duì)高壓閥、大壓差工作的調(diào)節(jié)閥、含顆粒介質(zhì)使用的調(diào)節(jié)閥需重點(diǎn)考慮此問題。
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2 調(diào)節(jié)閥選型設(shè)計(jì)要點(diǎn)
首先，根據(jù)工藝流程的調(diào)節(jié)需要，選擇調(diào)節(jié)閥類型。其次，根據(jù)工藝參數(shù)計(jì)算閥門的Kv值，然后，根據(jù)計(jì)算出的Kv值和閥門系列具有的額定Kv值比較，從而決定閥門的額定Kv值與口徑，然后還應(yīng)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算，進(jìn)一步驗(yàn)證所選閥門是否能滿足工作要求。再次，是根據(jù)工藝條件選擇閥體、閥蓋、閥內(nèi)件及填充材料。其四，是根據(jù)工藝參數(shù)選擇機(jī)構(gòu)及附件。
2.1 調(diào)節(jié)閥類型選擇
閥的類型有：GLOBE調(diào)節(jié)閥、蝶形調(diào)節(jié)閥、旋轉(zhuǎn)偏心調(diào)節(jié)閥、球形調(diào)節(jié)閥等，按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型有：氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液動(dòng)調(diào)節(jié)閥。在“神木化工項(xiàng)目”中選擇的是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。
2.2 調(diào)節(jié)閥的Kv值計(jì)算
2.2.1 口徑計(jì)算原理
在流程工業(yè)中，每個(gè)工位的調(diào)節(jié)閥流量、介質(zhì)、壓差、溫度等參數(shù)千差萬別，而調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)又是在100KPa壓差下，介質(zhì)為常溫水時(shí)測(cè)試的，怎樣結(jié)合實(shí)際工作情況決定閥的口徑呢？顯然，不能以實(shí)際流量與閥流量系數(shù)比較（因?yàn)閴翰睢⒔橘|(zhì)等條件不同），而必須進(jìn)行Kv值計(jì)算。把各種實(shí)際參數(shù)代入相應(yīng)的Kv值計(jì)算公式中，算出Kv值，即把在不同的工作條件下所需的流量轉(zhuǎn)化為該條件下所需要的Kv值，于是根據(jù)計(jì)算出的Kv值與閥門上的具有的額定Kv值比較，從而決定閥門的額定Kv值與口徑，最后還應(yīng)進(jìn)行有關(guān)驗(yàn)算，進(jìn)一步驗(yàn)證所選閥是否能滿足工作要求。
2.2.1.1 口徑計(jì)算及驗(yàn)算步驟
工藝提供的工藝數(shù)據(jù)表已經(jīng)確認(rèn)了計(jì)算口徑所需的最大工作流量、正常工作流量和最小工作流量，入口壓力、壓差、入口溫度等參數(shù)，按以下步驟進(jìn)行計(jì)算：
①Kv值計(jì)算。由專門的計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，把工藝數(shù)據(jù)表確認(rèn)的流量、入口壓力，壓差、入口溫度及其他有關(guān)參數(shù)輸入公式，就可計(jì)算出最大工作流量時(shí)的Kvmax。
②初步?jīng)Q定調(diào)節(jié)閥口徑，根據(jù)已計(jì)算的Kvmax，在所選用的產(chǎn)品型式系列中，選取大于Kvmax并與其接近的一檔Kv值，得出口徑。
③開度驗(yàn)算。
④實(shí)際可調(diào)比驗(yàn)算，一般要求實(shí)際可調(diào)比應(yīng)大于10。
⑤壓差校驗(yàn)（僅從開度、可調(diào)比上驗(yàn)算還不行，這樣可能造成閥關(guān)不死，啟不動(dòng)，故增加此項(xiàng)）。
⑥上述驗(yàn)算合格，所選閥口徑合格。若不合格，需重新確定口徑（及Kv值），或另選其他閥，再驗(yàn)算至合格。
2.3 閥體、閥蓋、閥內(nèi)件及填料的選擇
2.3.1 閥體材料選擇
閥體材料選擇要考慮3個(gè)因素：介質(zhì)的腐蝕成分、溫度、壓力。介質(zhì)的腐蝕性是選擇閥體材料的關(guān)鍵，在《石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《石油化工自動(dòng)儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于各種介質(zhì)工況下，適合用什么樣的材料已列出了表格，在設(shè)計(jì)時(shí)可對(duì)照查閱，如果有管道等級(jí)和管道材料等級(jí)表，也可從管道材料等級(jí)表中查找。溫度是影響材料性能的有一關(guān)鍵因素；設(shè)計(jì)溫度在-10~400℃的范圍內(nèi)，介質(zhì)無腐蝕性工況下選用碳鋼就可以，設(shè)計(jì)溫度在-200~530℃的范圍內(nèi)，材料選用304（0Cr18Ni9）或316（0Cr17Ni12Mo2）不銹鋼，并且能耐腐蝕性介質(zhì)。壓力的高低主要影響法蘭的材料選擇主要是綜合考慮介質(zhì)的腐蝕性、溫度與壓力條件而定。
2.3.2 閥內(nèi)件材料選擇
閥內(nèi)件材料的選擇除了要考慮介質(zhì)的腐蝕成分、溫度、壓力外，還要考慮在液體條件下的閃蒸和汽蝕。選材方式跟閥體材料選擇是一樣的，但最低要求是不銹鋼，在有閃蒸、汽蝕的條件下，要做特別考慮，表面需要堆焊耐閃蒸和汽蝕的材料（stellite6）或硬化處理。
2.3.3 上閥蓋選擇
上閥蓋的材料與閥體材料一致。主要是上閥蓋的形式選擇與設(shè)計(jì)溫度有關(guān)，設(shè)計(jì)溫度在-46~200℃選用標(biāo)準(zhǔn)型上閥蓋，設(shè)計(jì)溫度范圍在-196~-46℃選用長(zhǎng)頸上閥蓋，設(shè)計(jì)溫度范圍在200~530℃選用散熱片型上閥蓋。
2.4 填料選擇
填料選擇主要考慮溫度條件，設(shè)計(jì)溫度范圍-25~200℃選用PTFE（聚四氟乙烯）V型填料，設(shè)計(jì)溫度在-25~400℃選用柔性石墨+inconel填料，設(shè)計(jì)溫度范圍在-196~530℃選用純石墨填料，設(shè)計(jì)溫度范圍在-196~200℃選用石墨+PTFE填料。如果有真空，填料要選用雙向填充形式或石墨。
3 結(jié)束語
通過“神木化工項(xiàng)目”對(duì)調(diào)節(jié)閥的全程選型設(shè)計(jì)，從實(shí)踐中體會(huì)到了調(diào)節(jié)閥在現(xiàn)代化工流程中的重要性。知道如何根據(jù)工藝條件及工藝數(shù)據(jù)選擇閥的類型和閥體、閥芯、填料，如何計(jì)算Kv值及口徑，計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或轉(zhuǎn)矩，以及選配其他附件，例如定位器、手輪、限位開關(guān)、電磁閥、保位閥、繼動(dòng)器、空氣過濾減壓器等。
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