调节阀组性能及应用    

 
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调节阀组性能及应用

标签:自力式流量控制阀|自力式压差控制阀|自力式温度控制阀
 
 1 概述

    在各个现代工业领域中,由于生产工艺过程、对象工况和控制方式各不相同,对调节阀也提出了各种各样的要求。从而产生了适于不同工况的各种调节阀和相应的调节方式。

   调节阀在调节系统中是必不可少的,它是组成工业自动化系统的重要环节。在大多数调节场合使用单个调节阀就足以适应生产需要。但在某些情况下,例如有的生产过程要求有较大范围的流量变化,而单个调节阀的可调范围R却是有限的,就难以有效地进行调节。国内设计的调节阀一般R=30。若使用一个调节阀,最大流量与最小流量相差不能太悬殊,否则,满足了最大流量,最小流量时阀门开度很小,这将使得阀芯、阀座受流体冲蚀严重,缩短寿命,特性变坏,甚至不能工作。

    一般调节阀最小开度应不小于10%。这时为满足生产上流量大范围变化的要求,可采用两个或者多个调节阀调节阀组)并联共同调节。这时,调节阀组的可调范围大大增加,既能满足生产上的要求,又能改善调节阀的工作条件,可保持阀门的特性,延长寿命,提高调节质量。

    2调节阀流量特性

   调节阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系,即:

    Q/Qmax=f(I/L)

    一般来说,改变调节阀阀芯、阀座间的节流面积,便可以调节流量。

    2.1调节阀的固有流量特性

   调节阀在前后压差恒定的情况下得到的流量特性称为固有流量特性(或理想流量特性)。调节阀的固有流量特性取决于阀芯的形状,不同的阀芯曲面可得到不同的流量特性。大多数专业手册上只介绍了直线、对数(等百分比)、抛物线和快开流量特性,对蝶阀提及甚少,而随着电动执行机构的进步,其可靠性及性能提高,重量下降维护简便,电动调节阀的应用越来越广泛,很多场合都使用了蝶阀+电动执行机构。现根据蝶阀结构特性推算如下:

    由蝶阀结构特性得:

    d(Q/Qmax)/d(I/L)=Ksin[90°(I/L)]

    式中K为常数。

    积分后,带入边界条件得:

    Q/Qmax=1-[(R-1)/R]cos[90°(I/L)]

    式中R为调节阀可调比。

    三种常用流量特性的公式比较见表1。

表1 三种流量特性公式

 

相对流量Q/Qmax

相对流量变化dQ/Qmax/dI/L

直线流量特性

[1+R-1)(I/L]/R

R-1/R

蝶阀流量特性

1-[R-1/R]cos[90°(I/L]

[R-1/R]sin[90°(I/L]/R

对数流量特性

R[I/L-1]

1nR×R[I/L-1]

    由公式可计算出R=30的三种典型固有流量特性的相对开度和相对流量。

   调节阀产品选型手册上注明蝶阀的流量特性为:近似等百分比。由计算得出蝶阀的流量特性介于直线特性与对数特性之间,可以看作近似等百分比。

    再看调节阀流量的相对变化:单位位移变化引起的流量变化与此点的原有流量的比值,即[d(Q/Qmax)/d(I/L)]/(Q/Qmax)。直线流量特性阀在小开度工作时,控制作用过强,易引起超调;在大开度工作时,控制作用弱,不够及时。对数流量特性阀在任何开度工作时,流量相对变化相同,控制作用一致,不会因开度变化引起调节性能的变化。蝶阀自零开始,在小开度时调节作用远小于直线特性阀和对数特性阀,当开度较大时,与直线特性阀较为相似;只有在开度的中段,调节作用较好,两端时调节作用很弱。

    2.2调节阀的工作流量特性

    在实际使用中,阀门两端的压差并非固定不变。所以上述固有流量特性只不过是一种理想流量特性而已。调节阀在实际使用中得到的流量特性称为工作流量特性。它不仅取决于阀芯的形状,而且还与调节阀配管情况有关。管道阻力损失与流速的平方成正比。

    当调节阀与管道串联时,其流量特性的计算公式为:

   

    式中:S为调节阀全开时的压差与系统总压差之比(S=ΔP1min/ΔP)。

    当S=1时,即为固有流量特性;随S值的减小,流量特性曲线发生畸变,向上拱起。直线特性趋向于快开特性,等百分比特性趋向于直线特性。因此,希望流量特性为直线时,应根据S值的大小选择蝶阀特性或等百分比特性。一般S值不低于0.3。

    当调节阀与管道并联时,其流量特性的计算公式为:

    Q/Qmax=xf(I/L)+(1-x)

    式中:x为调节阀全开时流量与总管最大流量之比(S=Q1min/Qmax)。

    当x=1时,旁路全关,即为固有流量特性;随x值的减小,虽流量特性曲线变化不大,但可调比显著减小。因此,一般X值不应低于0.8。

    3调节阀组的流量特性

    3.1调节阀组的固有流量特性

   调节阀组的流量特性与调节阀与管道并联时的流量特性类似,但管道阻力变为阀门阻力,设有阀门1、阀门2并联使用,流量特性分别为f1,f2

    由调节阀流量方程推出

    Q2= K·f2·ΔP,

    Q = A·V

    由并联差压相等推出

    ΔP1=ΔP2=ΔP1min=ΔP2max

    又

    S=ΔP1min/ΔP

    ΔP=ΔP+ΔP,ΔP=K·V2

    假设总压降保持不变,将两个阀的特性及最大值代入公式可解出:

   

    由公式可看出:

    两个口径相同控制阀:即K1=K2,则Q/Qmax=(f1+f2)/2,为两个调节阀之平均。

    两个同类阀同步动作:即f1=f2,则Q/Qmax=f1=f2,流量特性等同于一个调节阀

    阀2固定开度,阀1调节:设阀2开度为f2(c/L)

   

    3.2调节阀组的工作流量特性

    在实际使用中,调节阀组的工作流量特性需考虑串联管道的阻力。

    可得:

   

    由公式可看出:随S值的减小,流量特性曲线发生畸变,向上拱起。

    两个口径相同蝶阀:即K1=K2,则

   

    若两阀再同步动作:即f1=f2,则与单个调节阀一样。

    阀2固定开度,阀1调节:设阀2开度为f2(c/L)

   

    当S=1时:

   

    当阀2全关时:f2(c/L)=0,则与调节阀1的调节特性f1一致。

    当阀2全开时:f2(c/L)=1,则

   

    3.3调节阀组的可调比

    若调节阀的可调比R=30,则由一个Φ400和两个Φ750调节阀共同调节时的可调比将大大增加,R=(3.5+3.5+1)/(1/30)=240,是单个调节阀的8倍。

    4调节阀组的应用与控制方式

    在多个调节阀组成的调节系统中,有选择调节系统、分程调节系统、联动调节系统等类型。其中选择调节系统是根据生产需要,在多台调节阀中选择一台由调节器进行控制;分程调节系统是将两台调节阀或更多作为一台来考虑,由一台调节器的输出分段控制两台调节阀调节;而联动调节系统是将两台或更多调节阀作为一个整体来考虑,由一台调节器在整个输出范围内同时控制两台调节阀或更多调节阀,而不是分段调节。几个同时动作的调节阀大流量特性与单个调节阀大不相同。

    下面以某高炉减压阀组为例介绍联动调节方式。

    在高炉炼铁生产中,炉顶压力的控制是十分重要的。炉顶压力在煤气上升管检测两点,送入DCS系统后,对减压阀组的开度进行调节,维持炉顶压力在工艺设定值。减压阀组由一个Φ400自动阀A,两个Φ750量程阀B和C及一个Φ750快开阀D组成,均为蝶阀,并且为充分利用高炉煤气的余压进行发电,在二文氏塔后又采用了TRT(余压发电装置),因此炉顶压力控制系统较为复杂。快开阀D只在TRT紧急关机时快速打开,防止炉顶压力急剧上升。

    在常规仪表控制方式下,只能将一个阀投入自动调节,其它阀则由操作人员进行手动调节。但是一个阀的压力调节范围有限,如果炉顶压力波动较大,很容易使自动调节阀超限,这时已无法对炉顶压力进行自动调节,只有靠人工干预其它手动阀的阀位,才能维持一定的炉顶压力。这种控制方式造成炉顶压力波动很大,波动幅度上下可达0.02MPa,调节效果较差,使生产受到影响,而且经常需要操作人员进行人工干预。当TRT发电时情况更为严重。如果自动调节阀超限时操作人员不留意或动作稍缓,炉顶压力会发生剧烈变化,甚至酿成事故。

    在本次DCS系统中,为克服以上种种弊端,采用了新的控制方式,充分发挥了DCS系统的强大功能。减压阀组操作方式分为:联动、半自动、手动和手操器手动4种。

    (1)联动方式:

    由DCS根据炉顶压力和TRT工作情况自动控制自动阀A及量程阀B或阀C的开度,由操作员设定另一量程阀的开度。

    (2)半自动方式:

    由操作员设定A、B、C三个阀中任意两个阀的开度,DCS系统根据炉顶压力和TRT工作情况自动调节剩下一个阀的开度。

    (3)手动方式:

    由操作员设定A、B、C三个阀的开度,人工控制炉顶压力。

    (4)手操器手动方式:

    为后备手动,仅在检修时使用,且不受DCS控制。

    在联动方式下,为使炉顶压力的波动尽量平缓,选择流通口径较小、调节波动较小的Φ400自动阀A进行PID自动调节,并将其开度限定在最具调节效能的35%~75%之间。当A阀开度到达上下限时,量程阀B步进一步开或步进一步关,直至A阀回到35%~75%之间,仍然由阀A进行自动调节,调节效果好。还可以人工干预量程阀C的开度,使各阀均处于较好的阀位。量程阀B和阀C可互换。这样,DCS系统可同时调节两个阀来控制炉顶压力,调节范围较常规仪表大了许多,而且调节波动小、效果好,能很好地维持炉顶压力的恒定。操作人员也可以选择半自动、手动等其它辅助操作方式,以适于不同的工况。

    当TRT不发电时,炉顶压力由减压阀组进行调节;当TRT发电时,炉顶压力先由减压阀组进行调节,当其调节范围不够时,则由DCS系统直接控制TRT调速阀进行调节,此时减压阀组全关,煤气全部经由TRT通过,TRT工作于最大负荷,节能效果最好。

    在联动方式下,假设由Φ400阀A,一个Φ750蝶阀B组成调节方式,设S=0.8,阀B一般固定在某开度:有K2≈3.5K1

   

    随B阀开度的增大,流量特性曲线起点上移,使整个曲线上移,相对流量调节范围变小;流量的相对变化值变得平缓,近于对数特性,有利于系统调节,在小开度、大开度时,均能平稳而灵敏地进行调节。

    (A+B)调节阀组的流量特性不是一条曲线,而是在几条曲线围成的复杂范围内。部分重合范围说明:通过调节两个阀的不同开度,都可以达到这个流量值。

    采用调节阀组控制方式,使流量特性和流量相对变化均发生了变化。流量的相对变化值变得平缓,近于对数特性,有利于系统调节。虽然流量的相对流量调节范围可能变小,但可以通过由DCS系统同时控制多个调节阀来有效地扩大调节范围。因此,从总的来看,调节阀组的使用有利于改善调节性能。

    5 减压阀组控制效果与结论

   调节阀组能扩大调节阀的可调范围,改善调节阀的工作特性,提高调节质量。适应生产需要,满足不同生产过程时的大流量和小流量要求,使之都有较好的调节质量。

    由于有多个调节阀,因此可通过不同的组合,产生多种的调节方式,在不同的生产情况下,可选择最合适的调节方式:

    (1)煤气总管流量较大时,选择联动方式,选择组合阀自动调节;
    (2)煤气总管流量较小时,选择半自动方式,选择单个阀自动调节;
    (3)煤气总管流量波动较大时,选择A阀自动调节;
    (4)煤气总管流量波动较小时,选择B或C阀自动调节。

    这样,在不同生产情况下都能取得较好的控制效果,达到较高的调节品质。

    自这套高炉炉顶压力控制系统投用以后,当TRT发电时,由减压阀组进行调节的炉顶压力波动一般低于0.002MPa,炉顶压力控制取得了较好的效果,达到了预期的目的。调节阀组的应用取得较好的效果。

    为充分发挥DCS系统的功能,又编制了减压阀故障处理程序:首先系统判断减压阀是否出现卡死等故障;若出现故障则立刻报警,同时查询当前减压阀组的操作方式:若本阀处于手动方式则只是报警;若本阀处于联动方式、半自动方式则报警的同时自动切换至另一无故障的调节阀,确保DCS系统仍然能够对炉顶压力进行自动调节,防止顶压波动。这样系统就可以对设备等出现的意外情况自动做出处理,减少了人工干预,争取了时间,从而避免出现恶性事故,保障了正常生产。

 
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