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分享:自力式压力调节阀的选择及在海洋石油平台上的应用

发布于:2021/4/15 10:06:57 点击量:66

[摘 要] 介绍了自力式调节阀的工作原理及流量系数的计算方法,阐述了自力式调节阀的选型及注意事项,给出了自力式调节阀在海洋石油平台上的具体应用实例。

 

自力式调节阀是一种无需外来能源 ,依靠被调介质自身压力、温度或流量的变化,按预先设定值进行自动调节的控制装置,是一种节能型仪表。该阀集测量、执行和控制等功能于一身,自成一个独立的仪表控制系统,具有结构简单 、价格便宜和动作可靠等特点,适用于调节精度要求不高或仪表气源供给困难的场合,广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工等工业部门的自控系统。

自力式调节阀按用途分为压力、差压、液位、温度和流量调节阀。其中以自力式压力调节阀应用最为广泛 。本文就自力式压力调节阀在海洋石油平台上的选择及注意事项等进行阐述 。

1 自力式压力调节阀的分类、原理及流量系数计算

1.1 自力式压力调节阀的分类

根据作用形式的不同, 自力式调节阀分为直接作用式和指挥器作用式两种。直接作用式调节阀适用于稳压精度 10%~20%的系统中。直接作用式调节阀最大的优点是结构及操作简单,但由于弹簧负载系统在调节阀运行中引起压降,导致出口压力的非线性,因此 ,在压降较小而要获得大流量时,必须使用另一种形式的调节阀一指挥器作用式的自力式调节阀。指挥器作用式调节阀适用于出口压力变化范围小于设定压力l0%的系统 。氮封装置就是其典型应用之一。

自力式调节阀根据被调压力取压点的不同,又分为阀前压力调节型 (简称 “背压阀”) 和阀后压力调节型(简称 “减压阀”) 两种 。背压阀在初始状态其阀芯为关闭位置 ,当阀前压力逐渐升高 ,阀门逐渐打开,直至阀前压力稳定在设定值:减压阀在初始状态其阀芯为开启位置 ,当阀后压力逐渐升高,阀门逐渐关闭,直至阀后压力稳定在设定值。

1.2 自力式压力调节 阀原理

自力式阀前压力调节阀,其阀芯初始位置在关闭状态 ,如图1所示。阀前压力P1经阀芯、阀座节流后 ,变为阀后压力P2,同时P1经过取压管输入至上膜室内作用在膜片上,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,从而控制阀前压力。

当P1增加时,P1作用于膜片上的力也随之增加。 此时膜片上的作用力大于弹簧的反作用力 ,使阀芯向离开阀座的方向移动,这时阀芯与阀座之间的流通面积变大,流阻变小,P1向阀后泄压 ,直到膜片上的作用力与弹簧反作用力相平衡为止,从而使P1降为设定值 。同理 ,P1降低时,动作方向与上述相反,这就是阀前压力调节的工作原理。

 

图1 阀前压力调节阀原理图

 

阀后压力调节阀与阀前压力调节阀的原理相同,但阀芯反装。可通过调节弹簧反作用力的大小来改变压力设定值。流量特性一般为快开。

1.3 流量系数的计算

流量系数Kv(又称流通能力) ,是调节 阀的重要参数之一。它反映流体通过调节阀的能力。根据实际计算出的流量系数Kv值的大小,选择适合的额定流量系数Kvs就可以确定调节阀的公称通径。调节阀的额定流量系数Kvs是指 :在规定条件下,即阀的两端压差为100kPa,流体密度为lg/cm 时,额定行程时流经调节阀的流量,是以立方米每小时或吨每小时计的流量数。如果选择的额定流量系数过大,就会使调节阀经常工作在小开度的工况下,既影响控制质量,又会引起振荡和噪音,缩短阀的使用寿命。相反,如果选择的额定流量系数过小 ,则会使调节阀的开度过大,阀门处于超负荷运行状态,不能满足流量要求,容易出现故障。

为 了合理选择调节阀的尺寸,必须正确计算调节阀的流量系数Kv值。现以液体为例,简要地给出Kv值的计算方法。

1.3.1 非阻塞流

式中:FL-压力恢复系数 ;FF -液体临界压力比系数;PV -阀入口温度下,介质的饱和蒸汽压(绝对压力 ) ,kPa;pc-热力学临界压力(绝对压力),kPa ;qv-液体流量 ,m3/h ; ρ-液体密度 ,g/cm3 ;P1-阀前压力 (绝对压力) ,kPa;P2-阀后压力(绝对压力),kPa。

1.3.2 阻塞流

由式(5)可以看出,在阻塞流情况下,Kv值的计算公式与非阻塞流工况不同,压差一项用FL2 (P1一FF Pv )代替实际压差P1 -P2,比用实际压差计算出的Kv值要大 ,即由于阻塞流的作用 ,阀的流通能力不能充分发挥出来 ,必须按更大的Kv值来选择阀的口径才能满足流体流通的要求。

2 自力式压力调节阀的选择

2.1 口径选择的一般步骤

(1)根据生产能力、设备负荷等工艺参数确定最大流量和最小流量qvmax ,qvmin;

(2)根据系统特点、压力分配和管路压损 ,确定最大压差和最小压差 △Pvmax, ,△Pvmin;

(3)按流量系数计算公式,分别计算出最大流量和最小流量时的流量系数Kvmax,Kvmin;

(4)根据计算出的Kvmax,在产品样本中选取大于Kvmax ,并最接近Kvmax的Kvs值;

(5)根据计算出的Kvmax,Kvmin验算阀的开度(一般要求阀开度在10%~80%之间) ;

(6)根据Kvmax,Kvmin计算 出可调比R(一般要求R=Kvmax/Kvmin≤30:1) ;

(7)各项计算验证合格后,根据Kvs值,确定调节阀的口径 。

2.2 选择时的注意事项

自力式调节阀是 由机械方法组成的纯 比例调节系统,其调节精度不高 ,只适用于调节 品质要求不高的场合;

(1)自力式调节阀主要应用在被控参数一旦调定后,不经常改变 (调整 ) 的场合 ,而被控参数经常改变 (调整 ) 的场合 ,应使用气动或 电动调节阀。一般直接作用型调节 阀其设定值允许偏差为±8 %,带指挥器作用式调节阀其设定值允许偏差±4 % 左右。若超 出设定弹簧的允许调压值,为达到原设定值要求,则必须通过更换设定弹簧 的办法才可实现,这需送回生产厂才能完成 。

(2)选用允许压差时,应注意到自力式调节阀的允许压差值小的特点。

(3)自力式压力调节阀一般应用在非腐蚀性工艺条件下,若在腐蚀性介质场合应用要特别慎重。

(4)自力式调节阀应用在黏度较高的介质场合时应慎重,高黏度的介质不宜使用。

(5)设定压力不应超过或接近所选择阀门许可的调整范围的极限值,留有一定的余量。

(6)注意调节精度的要求。一般情况下,自力式调节阀的调节精度低于气动或电动调节阀,对调节精度要求较高的地方场合不宜采用自力式调节阀。

(7)在工程设计和采购过程中要注意区分自力式调节阀是背压阀还是减压阀。一旦将背压阀和减压阀弄反,将无法正常使用,只能重新采购。

(8)注意自力式调节阀的开度要求。一般情况下,设计人员主要关注调节阀的开度 要求而忽略了对自力式调节阀的开度要求 。采购中应要求厂家在计算书中给出自力式调节阀在最小、正常 、最大工况下的开度 。阀的开度一般在10 %~80 %之间为宜。

3 自力式压力调节阀在海洋石油平台上的应用自力式 调节 阀与普 通调 节 阀相 比有 许 多差异 ,但这些差异并不影响在海洋石油平台上的使用。海洋石油平台上生产过程压力、温度不高(1.0 MPa,100℃以下) ,介质黏度不大(2×10-4/s以下) ,控制精度要求不高(一般±10%) ,自力式调节阀完全可以满足生产需要。

自力式调节 阀在海洋石油平台已有十几年的成功的应用历史,典型应用在公用、仪表气系统的压力控制;稳定消防泵出口压力中的应用;氮封系统中应用等 。

3.1 自力式调节阀在公用气系统中的应用

图2自力式调节阀在公用气系统中的应用

自力式调节阀在公用气系统中的应用如图2所示 ,为一个背压阀和减压阀的组合 ,其功能是将公用气罐出来的公用气稳定在一个范围内,海上平台常取500~800 kPaG 。

3.2 自力式调节阀在消防泵出口的应用

为 了维持消防泵出口压力的稳定 ,给下游消防管网一个相对稳定的海水供应,在消防泵的出口往往设有自力式压力调节阀,如图3所示。

图3自力式调节阀在消防泵出口的应用

3-3 自力式调节 阀在氮封系统中的应用

使用氮封装置的目的主要是用于维护储罐顶部氮气压力的恒定 ,以保护罐 内物料不被氧化及储罐安全 。此应用对自力式调节 阀的调节精度要求相对较高 ,一般需要配置带有指挥器作用式的自力式调节阀。 自力式调节阀在海洋石油平台中的应用还有很多,在此不一一赘述。

4 结束语

自力式调节阀无须外加驱动能源、结构简单、工程造价低、使用维护方便 ,在石油行业 中得到了广泛应用 ,尤其是在动力源配置困难的简易井口平台。对于那些对调节精度要求不高的场合 ,综合考虑工程造价、操作维修及运行成本等因素,自力式调节阀实为一种良好的控制设备。


◆参考文献

[1] 陆德民主编.石油化工自动控制设计手册 (第三版) [M ].北京 :化学工业出版社 ,2001.

[2】乐嘉谦主编.仪表工手册 (第二版 ) [M 】.北京 :化学工业出版社,2004.

[3] 陆培文.实用阀门设计手册[M ].北京:机械工业出版社,20 o4 .

[4] 侯鹏倩.自力式调节阀及其应用[J】.石油化工 自动化 ,2005,(1):83—85.

【5】罗非.自力式调节阀的特点及应用[J】.医药工程设计,2005 ,26(6):38-40.

[6】周剑.自力式调节阀的选择[J].石油化工自动化,2006 ,(3):89-92.


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