氮封閥(自力式調節(jié)閥)是一種無需外來能源,依靠被測介質自身壓力或溫度或流量變化,按預先設定值,進行自動調節(jié)的控制裝置,是一種節(jié)能型儀表。它集控制、執(zhí)行諸多功能于一身。自成1個獨立的儀表控制系統(tǒng)。集變送器、控制器及執(zhí)行機構的功能于一體。不同于一般含義上的控制閥。
氮封閥(自力式調節(jié)閥)有自力式壓力(微壓)調節(jié)閥、自力式(壓差)流量調節(jié)閥、自力式溫度調節(jié)閥等幾類。自力式壓力調節(jié)閥是其家族成員之一,由于它無需外來能源,產品結構簡單,使用方便,維護工作量少等優(yōu)點,特別適用于城市供熱、供曖及沒有供電、供氣又需控制的場合。據德國報道,城市供熱、供暖系統(tǒng)采用該產品,熱效率比以前提高30%~40% 。節(jié)能效果顯著。
本文僅就氮封閥(自力式壓力調節(jié)閥)的原理、結構特性及工程應用經驗進行論述。
1 自力式壓力調節(jié)閥分類及工作原理
1.1 自力式壓力調節(jié)閥的分類
1)按閥后、閥前控制分為兩類:自力式閥后(減壓)控制閥;自力式閥前(泄壓)控制閥。
2)按是否帶指揮器分為兩大類:直接作用型自力式調節(jié)閥,如圖1所示;指揮器操作型自力式調節(jié)閥,如圖2所示。
1.2 工作原理
1)自力式閥后壓力調節(jié)的工作原理。閥前壓力P1經過閥芯、閥座的節(jié)流后,變?yōu)殚y后壓力P2。P2經過管線輸入上膜室內作用在頂盤上,產生的作用力與彈簧的反作用力相平衡,決定了閥芯、閥座的相對位置,控制閥后壓力。當P2增加時,P2作用在頂盤上的作用力也隨之增加。此時,頂盤上的作用力大于彈簧的反作用力,使閥芯關向閥座的位置。這時,閥芯與閥座之間的流通面積減少,流阻變大,P2降低,直到頂盤上的作用力與彈簧反作用力相平衡為止,從而使P2降為設定值。同理,當P2降低時。作用方向與上述相反,這就是閥后壓力調節(jié)的工作原理。
2)自力式閥前壓力調節(jié)的工作原理同閥后壓力調節(jié)的工作原理,應注意閥芯反裝。
1.3 自力式壓力調節(jié)閥與控制閥的區(qū)別
這兩類產品的區(qū)別,主要在于控制閥既需要外界能源(如電源或氣源)做驅動能,又需要接受外來控制儀表信號才能改變閥內截流件相對位置,從而實現(xiàn)改變流體流量。而自力式壓力調節(jié)閥則既不需外來能源,又不需要接受外來控制儀表信號,僅靠被調介質的壓力信號,便可實現(xiàn)壓力調節(jié)。兩者區(qū)別可見圖5。
2 自力式壓力調節(jié)閥的特點
由于自力式壓力調節(jié)閥沒有外來驅動能源。因此該產品的操作力較小,它具有如下特點。
1)平衡式閥芯結構,如平衡型單座。雙閥芯平衡型,套筒平衡型等。
2)快開流量特性,其閥芯為平板型。
3)公稱通徑與閥體特征:DN20~100mm(或125)。閥上設有波紋管,閥芯為單座(有的廠家產品DN20mm的沒波紋管,閥芯也為單座);公稱通徑大于100mm 時。閥上蓋內不設波紋管,閥芯為雙閥芯或套筒結構。
4)執(zhí)行機構種類推薦:設定值≤0.6MPa時,選薄膜式執(zhí)行機構;設定值>0.6 MPa時,選氣缸式執(zhí)行機構。
3 安裝方式
3.1 直管段的設置
自力式壓力調節(jié)閥前、后應盡量保持一定的直管段(一般為6D(管徑)左右)。閥前取壓點距閥的距離應大于2D;閥后取壓應大于6D。閥前、后還應裝有壓力表,壓力表應靠近取壓點,以便使設定值與取壓值真實一致。
3.2 旁路系統(tǒng)的設置
為保證檢修及出故障時生產能繼續(xù)運行,最好設置旁路系統(tǒng),如圖6所示。
3.3 過濾器的設置
該系統(tǒng)中的過濾器在工藝介質干凈、沒雜質的情況下,可以省略。
當介質中有雜質或用帶指揮器的自力式壓力調節(jié)閥時應裝過濾器,以防阻塞引壓管路或指揮器、卡死氣缸執(zhí)行機構及閥芯等。
注:圖中虛線所示的取壓法不提倡
若限于管路安裝空間或經費,可將過濾網裝在閥前的截止閥上游處。取代過濾器。
3.4 安裝方式與介質、溫度的關系
1)自力式壓力調節(jié)閥安裝方式原則上宜采用,氣體介質正立安裝(執(zhí)行機構在上、閥體在下),液體與蒸汽介質倒裝。
2)氣體介質溫度高于70℃低于140℃ 、液體介質溫度高于140℃時,自力式壓力調節(jié)閥除采用倒裝外,還應在引壓管路上加裝隔離罐,并應在引壓管路、隔離罐、膜頭處注滿冷媒,以防膜片受高溫老化。
3)氣體介質溫度高于70℃低于140℃時.若仍采用正立安裝,應在設計文件(設備表)中注明采用高溫膜片(如乙丙橡膠膜片、硅橡膠膜片等),否則會造成普通膜片老化。
4 應用及注意事項
4.1 適用場所的應用及注意事項
自力式壓力調節(jié)閥主要適用于沒有腐蝕性且黏度低的液體、氣體、蒸汽(最高溫度可達300~350℃)等介質的壓力控制。如輕質油品、水、水蒸汽、空氣等。在設計條件提供與閥門選用時應注意以下情況。
1)所提閥前、閥后壓力及設定值條件應接近實際工藝條件。
自力式壓力調節(jié)閥對所提工藝條件的要求較一般控制閥要嚴謹。工藝參數確定后,不允許有較大范圍的更改。由于該類產品所允許的設定值調整范圍較小。一般直接作用型調節(jié)閥其設定值允許偏差為±8%、帶指揮器操作型調節(jié)閥其設定值允許偏差±4%左右。若超出設定彈簧的允許調壓值,為達到原設定值要求,則必須通過更換設定彈簧的辦法才可實現(xiàn),這需送回生產廠才能完成。
2)選用允許壓差時,應注意到該產品的允許壓差值小的特點。這是由于該產品輸出力小及波紋管內外允許壓差小,導致允許壓差較普通控制閥小,且無法像普通控制閥可通過提高供氣壓力來增大壓差。特別在小口徑時兩者壓差相差更大。如表1所列。
表1 允許壓差比較表
DN/mm | 15 | 20 | 25 | 40 | 50 |
Δp(直接作用型壓力調節(jié)閥)/MPa | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 |
Δp(ZJHP精小型單座調節(jié)閥)/MPa |
| 6.4 | 6.4 | 6.4 | 3.39 |
注:Δp為允許差壓。
3)因該產品調節(jié)精度為±5%及流量特性為快開特性所致,因此只適用無外來能源和調節(jié)品質要求不高的場合。
4)該產品不宜在往復泵出口壓力—流量調節(jié)方案中使用。該方案是旁路調節(jié)法常見方法之一。在該方案選型時,應注意其壓力控制回路不宜“采用直接作用式(自力式)壓力調節(jié)閥”。
這是因為為確保自力式壓力調節(jié)閥正常工作,該產品要求工藝參數確定后,不允許有較大范圍的變動。若用于往復泵時,由于往復泵輸出流量是周期性脈動,造成該閥在設定值附近處于周期性脈動,因而達不到穩(wěn)定壓力的作用,使整個控制系統(tǒng)無法正常工作。
以上分析可知,自力式閥前控制閥用于往復泵出口做泄壓控制是可行的方案。即該閥在設定值附近處于周期性脈動,使泵出口壓力不超出設定壓力值。該方案已在上海煉油廠罐裝站應用多年。
4.2 特殊介質中的應用及注意事項
4.2.1 黏度較高的介質中的應用
從自力式壓力調節(jié)閥的原理和結構特點可知。該產品能否應用在黏度較高的介質場合,就需從下述兩方面綜合考慮。
1)被調介質黏度對執(zhí)行機構—引壓管、指揮器、膜片的影響。為避免這方面的影響,可采取在引壓管上加裝隔離罐,注滿隔離液,以使黏稠介質不堵塞引壓管和進入到執(zhí)行機構內,影響被調介質作用力的傳送。
2)被調介質黏度對閥內件及平衡元件—波紋管的影響。
這是由于被調介質流過閥內件時,將被引入平衡壓力元件—波紋管內與外,黏度過高將使其無法起到壓力平衡作用。若介質在停工后易凝固也將使波紋管無法在開工后正常工作。
上述分析,歸根結底是介質黏度值的界定問題。目前,國內制造廠的產品樣本未見推薦值。國外已有廠家推薦,在油和液體情況下,允許使用的介質運動黏度為600mPa?S;Samson允許的介質黏度為100mPa?s(密度0.8)。
只有當上述兩要求均滿足時,才能使用。這已有很多實例證明。如上海中泰自動化儀表廠生產的該類產品,已在上海石化廠罐區(qū)乙焦油壓控上(黏度為190mPa?S)、延安煉油廠燃料油—重油壓控上(黏度為135mPa?s)使用多年。
4.2.2 高黏度的介質不宜使用
4.2.3 不允許泄漏的氣體介質中的應用
不允許泄漏的氣體介質使用時,出于安全原因及避免貴重氣體浪費因素,應考慮下述兩點。
1)填料函及其他連接處的密封性能達到標準。
該產品應符合國家標準GB/T4123-92氣動調節(jié)閥要求無滲漏現(xiàn)象,這一點同一般控制閥要求一樣。
2)氣動執(zhí)行機構的氣室密封性要求要確保無滲漏。
該產品要求比GB/T4123-92規(guī)定高,不允許滲漏。因為GB/T4123-92標準對氣室的密封性規(guī)定:“氣動執(zhí)行機構的氣室應保證氣密性。在額定氣源壓力下,5min內薄膜氣室內的壓力下降不得大于2.5kPa;”
國內該類產品鑒于沒統(tǒng)一的產品標準,有不少產品對該項要求不嚴或沒考慮此種氣體介質使用要求,僅參照GB/T4123-92生產,這對安全生產或節(jié)約貴重原料造成不利。因此該產品不適宜用于液化氣減壓,若要采用,需要與制造廠詳細討論。
4.2.4 使用在腐蝕性介質場合應慎重對待
該產品使用在腐蝕性介質場合,與使用在黏度較高的場合一樣,需要從介質對執(zhí)行機構和調節(jié)機構兩大部件耐腐蝕性進行雙重考慮,只有兩者均滿足時才可使用。由此可見,它比控制閥要求更復雜,使用面更狹窄。
為便于設計人員在腐蝕性介質場合的選用,現(xiàn)將執(zhí)行機構與調節(jié)機構抗腐材料現(xiàn)狀列于表2,供參考。
以波紋管平衡型閥為例,由于目前國內波紋管的防腐蝕材料只能做到304和316。僅從調節(jié)機構上選,它將無法使用在氯氣、次氯酸鈉、液氯、鉻酸、鹽酸、硫酸、氯化鋅等介質。增大了使用局限性。
在這種介質中使用時,快捷的辦法是,設計和制造單位根據工藝條件和要求及制造水平共同確認能否使用。
自力式壓力調節(jié)閥的計算同控制閥,不再贅述。
表2 執(zhí)行機構與調節(jié)機構抗腐蝕材料
上、下膜蓋 | 碳鋼,304,316,蒙乃爾合金,哈氏合金 |
汽缸 | 碳鋼,304,316,蒙乃爾合金,哈氏合金 |
膜片 | 氟橡膠,聚四氟乙烯(1) |
閥體 | 碳鋼,304,316,蒙乃爾合金,哈氏合金 |
閥內件 | 碳鋼,304,316,蒙乃爾合金,哈氏合金 |
波紋管 | 304,316(2) |
氮封閥-自力式調節(jié)閥-氣動調節(jié)閥-電動調節(jié)閥-杜伯拉閥門
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