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            重慶普惠斯調節閥
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            調節閥技術文檔

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            蒸汽鍋爐給水系統中電動調節閥選型與應用探討

            類別:調節閥 | 作者:黃誠 | 發布日期:2018-08-14 11:46:47

                蒸汽鍋爐給水自動調節系統是鍋爐基本調節系統之一,它是控制鍋爐汽包水位、三沖量調節的關鍵因素,是確保鍋爐安全運行的一個不可缺少的調節系統。給水電動調節閥是鍋爐給水自動調節系統中的一個重要的部件,它的性能直接影響到調節系統工作的可靠性和自動化的程度。調節閥的性能取決于與系統的壓差配合,而前提關鍵在于調節閥節流件的型線設計,是指把調節閥的流通面積按照一定的比例(直線、等百分比、拋物線、快開等,如圖1)分配到各個行程上的設計中去,這種比例就是要使調節閥在調節過程中和變化的壓差相適應。

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            調節閥的理想流量特性曲線 cqphs.com

            圖1 調節閥的理想流量特性曲線 內容來自cqphs.com

                目前普遍存在的一個問題是,很多人忽略了給水電動調節閥閥權度對其調節性能的影響,導致在某些情況下閥門的流量特性不按既定行程,使閥門的調節性能大為下降。另外也出現在閥門開度僅為20%以下時就達到了鍋爐給水滿負荷運行,調節精度下降,不利于節能,對鍋爐安全性、閥門使用性產生一定的影響。

            重慶普惠斯閥門

                本文結合鍋爐給水系統、給水電動調節閥的流量特性及北京經濟技術開發區熱力公司給水系統運行特性,得出給水調節選型及閥權度對給水系統調節的影響規律,確保給水電動調節閥能夠實現良好調控。 copyright cqphs.com

            1、調節閥流量特性

                調節閥流量特性,是指流體介質流過調節閥的相對流量比與調節閥的相對開度之間的特定關系,其公式為: cqphs.com

            調節閥的流量特性公式    (1)

            重慶普惠斯

            式中:G—給水電動調節閥在某一開度時的流量, 內容來自cqphs.com

                       Gmax—調節閥全開時的流量, 重慶普惠斯

                       l—調節閥某一開度時閥芯的行程, cqphs.com

                       lmax—恒溫閥全開時閥芯的行程。 本文來自重慶普惠斯閥門

            調節閥所能控制的最大流量與最小流量之比成為可調比R。

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                (2) 重慶普惠斯

               Gmin是調節閥可調流量的下限值,并不等于調節閥全關時的泄漏量,一般最小可調流量為最大流量的2%~4%,而泄漏量僅為最大流量的0.1%~0.01%。

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                 一般來說,改變調節閥的閥芯與閥座之間的節流面積便可調節流量,但實際上由于種種因素的影響,在節流面積變化的同時,還發生閥前后的壓差變化,而壓差的變化也會引起流量的變化。因此,流量特性有理想流量特性和工作流量特性兩個概念。為便于分析比較,先假定閥前后的壓差為一定值,即先研究理想流量特性,然后再引申到真實情況的討論,即討論工作流量特性。 重慶普惠斯

            1.1 理想流量特性

                 當調節閥前后壓差固定不變時,其流量特性稱為理想流量特性。典型流量特性曲線有直線流量特性、等百分比(對數)流量特性、快開流量特性和拋物線流量特性四種類型,典型的流量特性曲線如圖1。 copyright cqphs.com

            而調節閥自身所具備的固有流量特性曲線取決于閥芯的形狀。以下只分析直線及等百分比流量特性閥門。 重慶普惠斯

            1.1.1 直線流量特性曲線

                 直線流量特性是指調節閥的相對流量和相對開度成直線關系,即單位行程變化所引起的流量變化是一個常數。由圖1可以看出,直線流量特性調節閥的單位行程變化所引起的流量變化是相等的,也就是在調節閥全行程內其放大系數(即曲線斜率)是一個定值。線性流量特性的調節閥在變化相同行程的情況下,流量小時,流量相對值變化大;而流量大時,流量相對值變化小。

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            計算公式:

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            調節閥直線流量特性曲線公式    (3) 重慶普惠斯

            1.1.2 等百分比流量特性

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                等百分比流量特性是指單位行程變化引起相對流量變化與該點的相對流量成正比,即調節閥的放大系數是變化的,它隨相對流量的增加而增大。用數學式表達為:

            重慶普惠斯閥門

            調節閥等百分比流量特性公式    (4) 本文來自重慶普惠斯閥門

                經過積分,同直線特性的推導過程一樣,將上式代入邊界條件,定常數項,最后得:

            本文來自重慶普惠斯閥門

                (5)

            重慶普惠斯閥門

               式中:d、k為數學函數。

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                  從上式看出,相對開度與相對流量成對數關系,故稱對數特性。為了和直線特性比較,同樣以開度10%、50%和80%三點為例,當開度變化10%時,我們得出:

            重慶普惠斯

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                   可見,單位位移變化引起的流量變化與該點的原有流量成正比,而流量相對變化的百分比總是相等的,故又稱等百分比特性。 copyright cqphs.com

                   由于對數特性的放大系數K隨開度增加而增加。在小開度時,流量小,流量的變化也小,調節閥放大系數小,調節平穩緩和;在大開度時,流量大,流量的變化也大,調節閥放大系數大,調節靈敏有效。 內容來自cqphs.com

            當R=30時,其相對開度下的相對流量如表1。 copyright cqphs.com

            表1 各種流量特性下的相對開度和相對流量表 重慶普惠斯

            調節閥流量特性下的相對開度和相對流量表 內容來自cqphs.com

            1.2 調節閥的工作流量特性

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                   在實際使用時,調節閥前后包括管道和其他部件,設備的阻力損失會隨流量變化而同向變化,如果采取系統定壓運行,則調節閥前后的壓差不能保持不變,雖在同一開度下,通過調節閥的流量將與理想特性時所對應的流量不同。研究工作條件下的流量特性十分關鍵。調節閥工作流量特性是指調節閥在前后壓差隨負荷變化的工作條件下,調節閥的相對開度與相對流量之間的關系。如圖2所示調節閥串聯在管道,串聯管道的壓力損失與通過管道的流量成一次至二次方關系,一次至二次方關系取決于管路長度與管徑的比值(此文不予論述)?傊,當系統兩端總壓差ΔP一定時,隨之通過管道流量的增大,串聯管道的壓力損失也增大,這樣就使調節閥前后壓差減小,如圖2所示。 重慶普惠斯閥門

            管道串聯時直通調節閥壓差變化情況 重慶普惠斯

            圖2 管道串聯時直通調節閥壓差變化情況

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            2、閥權度對調節閥流量調節特性的影響

                通常運行中,調節閥的工作流量特性與閥權度有關,與閥門所在系統壓力有關。找到合適的閥權度對于系統節能及調節性能起著關鍵的作用。在串聯管路中,閥權度過大,閥門特性在系統中更趨近于閥門理想特性曲線;閥權度的選擇過小,會偏離理想特性曲線。偏離理想特性曲線并不能簡單定義為選型的不恰當,在一定情況下需要閥門偏離特性曲線來滿足系統所需閥門的調節性能。 重慶普惠斯

             調節閥權度公式應用

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                 ΔP0表示調節閥全開時,流量為設計流量下的兩端壓差,也是調節過程中最小壓降;當調節閥全關時,流量變為0,此時系統中其他設備管道的壓降為0,系統壓降達最大值ΔPmax,且全部由調節閥承擔。定義調節閥在系統調節過程中的最小壓降與最大壓降的比值為閥權度β,其公式為: copyright cqphs.com

            閥權度β計算公式    (6)

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            調節閥流通能力的計算公式: copyright cqphs.com

            調節閥流通能力的計算公式    (7)

            重慶普惠斯閥門

            C——調節閥的流通能力,流通能力與面積正比關系; 重慶普惠斯

            ΔP——調節閥前后的壓差; 重慶普惠斯閥門

            ρ——介質密度。

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            相對流量:

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            調節閥相對流量計算公式    (8)

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            引入閥權度β的概念,則

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                (9) 內容來自cqphs.com

                 由公式(8)可知,當閥權度等于1時,即當調節閥上的壓降等于系統全部壓降時,調節閥的相對流量等于理想特性下的數值,即此時調節閥工作調節特性等于理想調節特性。當閥權度小于1時,調節閥從全開狀態逐漸關小時,其兩端壓降逐漸增大,在相同的相對開度下,此時通過調節閥的相對流量將大于理想調節特性下的相對流量,調節特性失真。線性調節特性趨向于快開特性,等百分比特性曲線趨向于線性特性。閥權度值越小,閥的調節失真越嚴重,如圖3。因此,閥權度是衡量調節閥工作調節特性的一個重要指標,它能直接判斷調節閥在工作狀態下調節特性的失真程度。在實際工程中,閥權度的確定,是正確選擇、設計調節閥的重要依據。

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            串聯管道時直通調節閥工作流量特性 copyright cqphs.com

            圖3 串聯管道時直通調節閥工作流量特性(以q100為參比值) 內容來自cqphs.com

            3、實驗分析

            3.1 實驗背景

            本文來自重慶普惠斯閥門

                北京經濟技術開發區熱力公司蒸汽鍋爐熱源廠,35蒸噸鍋爐運行壓力為0.8MPa,給水泵運行壓力維持在1.45MPa,鍋爐燃燒負荷在80%~90%,鍋爐給水電動調節閥門開度僅為15%左右,閥門可調區間非常小,閥門閥芯長期處于高壓疲勞工作狀態,不僅不利于閥門的調節,不利于鍋爐給水PID控制調節,同時使閥門工作狀態嚴重偏離設計運行曲線,對安全生產造成隱患,閥門精度下降,不利于閥門的使用調節,不利于公司節能經濟運行。受于給水流量計量程所限,本文中相對流量的最大值選取流量計最大量程42t/h。

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            3.2 實驗目的 copyright cqphs.com

                針對上述問題,二號熱源廠對給水系統進行運行降壓試驗及更換給水調節閥,并進行初期試驗摸索,通過對累計運行數據進行分析,找出公司給水系統節能降耗及安全運行方式方法。 重慶普惠斯閥門

            3.3 實驗記錄

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            3.3.1 實驗前分析 重慶普惠斯閥門

                鍋爐給水系統水位三沖量(汽包水位,給水流量,蒸汽流量)調節需求是閥門開度與流量為線性關系,電動調節閥原設計選型為型線為直線型。在使用過程中發現閥門可調區間僅為10%~20%,在開度為20%時即已達到給水泵滿負荷運行,未達到調節閥30%~70%經濟可調區間,在費電耗能的不利條件下對于鍋爐穩定運行也造成影響,閥門調節性能失真。經過分析,認為系統壓差過大,閥權度小于1,可調區間小,閥門開度在20%時即已達到滿負荷。

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            3.3.2 線性流量特性給水調節閥降壓實驗

            重慶普惠斯

                逐漸降低給水系統定壓壓力,由1.45MPa降低到1.28MPa,發現鍋爐運行穩定,見圖4。

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            改造前給水閥特性曲線

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            圖4 改造前給水閥特性曲線

            重慶普惠斯閥門

             由圖4可知:

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            1. 閥門開度由10%逐漸開大到100%,發現當閥門開度為50%時即已接近水量最大值,閥門開度增大流量增長緩慢。調節閥的流量調節特性曲線為快開特性,改變原調節閥門線性特性。閥門在0%~30%為直線特性。閥門開度35%以下流量曲線為線性特性,才能滿足PID調節需求。
            2. 直線型調節閥的工作軌跡偏離設計軌跡成快開曲線。為滿足PID調節的線性要求無法進一步降低定壓值,調節閥的流量特性發生很大的畸變。公司熱源廠鍋爐給水閥門的理想狀態為調節閥在工作時相對流量和相對行程的關系在直角坐標系內為一條直線,使通過它的流量與它的行程具有相對均勻的穩定性,即線性調節特性曲線(如圖5),以利于三沖量更精準的控制調節,利于鍋爐安全運行。根據實驗結果,考慮更換給水調節閥,選取調節閥門特性為等百分比特性,預測通過閥門開度與給水壓力的共同作用,將相對接近流量與相對開度成線性關系的結果,改造后做以下實驗記錄。

            線性調節閥工作流量特性 copyright cqphs.com

            圖5 線性調節閥工作流量特性 cqphs.com

            3.3.3 等百分比流量特性給水調節閥降壓實驗

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                公司熱源廠將直線特性給水調節閥更換為等百分比特性閥門。給水定壓分別為1.28MPa及1.10MPa,實驗結果見圖6。 copyright cqphs.com

            改造后給水定壓不同的情況下調節閥特性曲線 重慶普惠斯

            圖6 改造后給水定壓不同的情況下調節閥特性曲線 cqphs.com

                由實驗數據分析可知,改造后等百分比調節閥的流量特性曲線接近于線性,滿足PID調節需求,1.28MPa定壓點時55%的閥門開度流量為42t/h,下降到1.15MPa時,閥門開度75%時流量達到42t/h,可以滿足35蒸噸鍋爐的需求。

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                等百分比特性閥門,在管路阻力及閥門閥權度的共同作用下出現畸形,使相對流量與相對行程接近線性關系,而給水定壓越高,系統阻力越大,閥門相對開度相同的情況下流量越大,在不影響鍋爐安全運行的前提下,降壓運行,節電節能。

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                根據現場數據計算閥權度約為0.3,調節閥開度與流量接近成線性關系。調節閥選型時,要針對不同的系統,掌握其工作調節以及在不同負荷下的流量和壓差變化范圍等參數,才能選擇最理想的、適合系統運行的調節閥。

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            4、結論

                由水泵的工作原理可知:水泵的軸功率與水泵的全壓成3/2次方的關系,即 copyright cqphs.com

               (10)

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            根據公式可得:

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            y=0.797

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            1-0.797=0.203

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                通過計算可知降壓運行后達到約20%的節電效益,對水系統節能降耗作用很大。 內容來自cqphs.com

            4.1 對閥門壽命的影響 內容來自cqphs.com

                 通過給水降壓試驗可知,調節閥閥門開度由原來的10%~20%的可調區間擴大到30%~70%的經濟可調區間,有利于延長閥門的使用壽命。閥門開度小,閥芯密封面離節流口近,有損于閥芯密封面,節流間隙小,流速大,沖刷厲害,急劇的流速、壓力變化,超過閥的剛度時,閥穩定性差,甚至產生嚴重振蕩,嚴重影響閥的使用壽命。 copyright cqphs.com

            4.2 對調節精度的影響

            copyright cqphs.com

                使用等百分比給水流量調節閥,鍋爐運行負荷(給水量)在20t/h~35t/h之間時,閥門開啟度可處于30%~70%的最佳調控范圍,相對于線性調節閥門大部分開度在7%~20%,提高給水閥門的調節精度,使給水流量與控制閥門趨于線型比例關系,有利于鍋爐三沖量調節,汽包水位控制更加穩定,水泵工況運行穩定,避免大流量耗電的出現,提高水泵運行效率。

            重慶普惠斯

                在本文中鍋爐給水系統由省煤器、閥部件及管路共同組成,閥權度在0.3左右。因閥權度的作用需選擇等百分比特性閥門,使其在系統中工作流量特性接近于線性。而在閥權度接近于1時運行工況會接近閥門的理想特性曲線,比如在除氧給水系統中調節閥之外阻力可以忽略不計,閥權度接近于1,此時就應該選擇線性特性的調節閥。所以說在給水系統中,調節閥流量特性及閥權度的選取十分重要,不能一概而論,在應用時應充分了解閥門特性及管路阻力分布情況,使調節閥的工作特性滿足系統運行要求。 重慶普惠斯閥門

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