特殊工況專用自力式壓力調節閥設計計算選型

介紹了自力式壓力調節閥工作原理及結構特點。重點闡述了彈簧型自力式壓力調節既可穩壓又可斷閥介質的雙重功能，並通過特殊工況下的實際應用來進一步分析彈簧型自力式壓力調節實現雙重功能的壓力分配原則、選型計算及設計特點並詳細敘述了彈簧型自力式壓力調節閥中關鍵零件的作用及設計計算。     

 特殊工況專用自力式壓力調節閥設計計算選型概述

    自力式壓力調節閥是一種無需外加驅動能源，依靠被調介質自身的壓力為動力源，當被調介質壓力變化時按預定設定值進行自動調節的節能型控製裝置。它集檢測、控製、執行諸多功能於一體，自成一個獨立的儀表控製係統。由於自力式壓力調節閥是一款使用簡單方便的節能產品，所以世界各國調節閥公司紛紛推出了各種類型的產品，主要分為杠杆式自力式調節閥、指揮器式自力式調節閥、彈簧式自力式調節閥等（以下用彈簧式自力式壓力調節閥為例）。

    1 工作原理及結構特點

    彈簧式自力式壓力調節閥工作原理，以常用型閥後式為例（見圖1），閥芯的初始位置為開啟狀態，閥後壓力P2經導壓管輸入上膜室作用在執行機構膜片上，其作用力與彈簧的作用力相平衡時的閥芯位置決定了閥的開度，從而控製閥後壓力。當閥後壓力P2增加時，P2作用在膜片上的作用力也隨之增加。此時，膜片上的作用力大於設定彈簧的作用力，使閥芯向著關閉的位置運動，閥的開度減小，P2降低，直到膜片上的作用力與彈簧作用力相平衡為止，從而使P2降為設定值。同理，當閥後壓力P2降低時，動作方向與上述方向相反。自力式壓力調節閥的閥前式調節其閥芯的初始位置為關閉狀態，其力平衡原理與閥後式相同（見圖2）。

    自力式壓力調節閥優點在於結構簡單，維護工作量小壓力設定點可調且範圍寬，便於用戶在設定範圍內連續調節閥內采用壓力平衡機構，使調節閥反應靈敏、控製精確、允許壓差大被調介質為腐蝕性低、具有流動性的輕質油品、水、空氣等，也可控製溫度在350℃以下的非腐蝕性香蕉视频色板、大香蕉性爱视频等。對於高溫、高貓度的介質需要配置冷凝器、隔離罐等附件。此產品廣泛應用於天然氣采輸、城市供熱及冶金、石油、化工、電力等行業中介質連續使用工況下的調節控製。但此產品在閥後介質用量減少、或無用量時、或者間斷用量時的控製又會如何呢據用戶反應的現象是調節閥會出現泄露情況，導致閥的前後差壓*相等當使用末段關閉後重新開始使用介質時，閥門又恢複了減壓功能，同時存在憋壓後再開啟時造成瞬間高壓衝擊，極有損壞設備的可能性。下麵以我公司該產品在某企業的應用實例來闡述彈簧式自力式壓力調節閥（以下簡稱閥）針對這類特殊工況的設計和應用。

    2 特殊工況專用自力式壓力調節閥設計計算選型特殊工藝參數

    控製係統為穩定閥後壓力的係統，介質為氮氣，係統的初始管道壓力為2800KPa，後工段所需要的流量為2000NM3/h。工藝要求是後工段使用介質10分鍾後停止使用1小時，並按此方式循環使用；正常使用時閥後壓力穩定在700KPa，停止使用時閥後壓力不得高於800KPa。閥後輸送管道長度為800～1000米左右（如圖3所示）。

本係列產品有單座(ZZYP)、套筒(ZZYM)、雙座(ZZYN)三種結構；執行機構有薄膜式、活塞式二種；作用型式有減壓用閥後壓力調節(B型)和泄壓用閥前壓力調節(K型)。產品公稱壓力等級有PN16、40、64；閥體口徑範圍DN20～300；泄漏量等級有Ⅱ級、Ⅳ級和Ⅵ級三檔；流量特性為快開；壓力分段調節從15～2500kPa。可按需要組合滿足用戶況要求。

■ 特點

·自力式壓力調節閥無需外加能源，能在無電無氣的場所工作，既方便又節約了能源。

·壓力分段範圍細且互相交叉，調節精度高。

·壓力設定值在運行期間可連續設定。

·對閥後壓力調節，閥前壓力與閥後壓力之比為10：1～10：8。

·橡膠膜片式檢測，執行機構測精度高、動作靈敏。

·采用壓力平衡機構，使調節閥反應靈敏、控製精確。

    3 特殊工況專用自力式壓力調節閥設計計算選型設計分析

    根據上述工藝要求，為了保證控製係統介質正常使用時的壓力，可選擇一台閥降壓也可以選擇兩台，但考慮到後工段*關閉介質時的特殊要求，選擇使用兩台閥進行雙級降壓能夠更好的分解設定壓力，減小單台閥過重的負載，以*化的方式滿足此工藝要求。

    （1）在閥內件設計方麵，兩台閥的密封形式均采用軟密封形式，以提高閥的泄漏等級，減小因內漏造成的閥後壓力升高。

    （2）兩台閥需要合理分配設定壓力。台閥的關鍵任務①當係統正常使用介質時降低大部分閥前壓力，使閥後壓力穩定在一個適中的壓力值上②能夠切斷介質且在切斷介質後閥後壓力隻有小幅上升以利於第二台閥的控製。第二台閥的任務除了正常的減壓外，也應能較好起到切斷介質的作用，並在台閥因其他未知原因不能正常關閉的情況下起到二次切斷介質的作用，最終保證閥後壓力小於田夥幾，滿足工藝要求。

    （3）在關鍵的控製元件一一彈簧的設計中，需充分考慮兩台閥的作用。相對來說第二台閥的彈讚承受壓力的變化較大，特別是兩台閥在關閉介質時，閥後的壓力都會有一定的變化，單單對於第二台閥來說閥前壓力和閥後壓力均有所變化，根據係統受力平衡分析，閥後壓力升高的幅度對彈簧的影響遠遠大於閥前壓力，所以此時彈簧所承受的負載也相對變大，因此在設計計算此彈簧時應充分考慮這一因素。

    （4）調節閥距控製係統末端有800～1000米左右的輸送管道，當控製係統末端關閉後重新開啟時產生的瞬間高壓會慢慢的消耗在輸送過程中，所以此壓力在這種工況下可以忽略不計。

    （5）此工藝要求兩台閥須頻繁的打開和關閉，所以閥的關鍵部件所采用的材料也應合理捧擇，並建議用戶及時更新易損件，以保障產品的良好性能。

    4 特殊工況專用自力式壓力調節閥設計計算選型選型計算

    （1）壓力分配計算

    為確保閥後壓力在設定範圍內，其閥前壓力和閥後壓力應滿足減壓比（10：1～10：8）的關係，詳細數值見表1：

    兩台閥對閥前、閥後介質壓力的合理分段應首先保證第二台閥關閉時閥後壓力不高於800KPa，那麽對於第二台閥的閥前壓力應該滿足大於最小減壓比，所以選擇台閥的閥後壓力穩定在1000KPa左右較為合適，這個壓力值作為第二台閥的閥前壓力，便於滿足第二台閥的閥後壓力穩定在700KPa。所以兩台閥的壓力分配如下：

    台閥：閥前壓力2800KPa、閥後穩壓為1000PKa、調壓範圍為900-1100PKa：

    第二台閥：閥前壓力1000KPa、閥後穩壓為700KPa、調壓範圍為600-800KPa。

    （2）口徑計算

    調節閥的選型主要是根據客戶提供的閥前壓力、閥後壓力及流量等參數通過計算來確定閥的流量係數（Kv值）、口徑等主要參數。Kv值的計算公式有很多種，表2中的公式是針對介質為香蕉视频色板，涉及物化參數較少的計算公式。由已給的條件計算出兩台閥的流量係Cv。

    己知係統初始管道壓力為2800KPa，後工段所需要的流量為2000NM3/h。設定台閥的流量控製在4000NM3/h，閥後壓力穩定在1000kpa；第二台閥的流量為已知的2000NM3/h，閥前壓力為1000kpa，閥後壓力穩定在700kpa。介質為氮氣，溫度為常溫。台閥：p1≥2p2，所以選擇公式（1）計算kv值，第二台閥：p1<2p2，所以選擇公式（2）計算kv值： 代入已知條件計算出kv，再根據式（3）計算出的Cv大小對應選型，台閥口徑為DN25；第二台閥口徑為DN40。

    5 特殊工況專用自力式壓力調節閥設計計算選型設計計算

彈簧的設計計算

    彈簧是自力式壓力調節閥中的關鍵零件，采用的材料為60Si2MnA優質矽錳彈簧鋼。圖4為彈簧應力及應變的關係圖，圖中F1及F2為閥後穩壓範圍中最小壓力及壓力時，對應彈簧的最小受力及受力，Flim為設計彈簧的極限受力。△h對應的是彈簧正常的壓縮量同時也是閥的行程。

    當控製係統處於平衡狀態時，根據工藝要求的設定壓力值計算出彈簧受到的最小壓力和壓力F1及F2並，將此計算值代入壓縮彈簧計算公式根據彈簧所選擇的材料確定許用應力TP，然後在4～14範圍內初步確定旋繞比，由公式（4）計算出彈簧的簧絲直徑d，取d的圓整值由D2=Cd計算出D2：再由式（5）計算有效圈數n；最後確定彈簧的所有參數。在設計中應初設幾個旋繞比C值做計算，比較結果選取*的方案。

特殊工況專用自力式壓力調節閥設計計算選型 主要零件材料

三、自力式壓力調節閥 主要技術參數

   6特殊工況專用自力式壓力調節閥設計計算選型 用結論

    這套自力式壓力調節閥通過現場的實際使用證明能及時將閥後壓力控製在規定的範圍內，具有良好的穩壓性能，並當現場後工段工藝介質全關閉時充分體現了它的密封性能，很好的滿足了係統的工藝要求，深得用戶的好評。通過這個應用實例可以得出結論在一定的條件下通過特殊設計，自力式壓力調節閥可以具備既穩定設定壓力又切斷介質的雙重功能，為該類產品拓展了更廣闊的應用領域。