CN103615555B - 气动恒流量蒸汽调节阀 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供气动恒流量蒸汽调节阀，包括阀体、阀盖、阀杆、阀瓣，阀盖固定在阀体上，阀盖里设置通孔，阀体里设置进汽通道、出汽通道、阀瓣通道，阀杆穿过通孔并进入阀瓣通道里，阀瓣固定在阀杆的底端部，阀瓣通道与出汽通道相连通，进汽通道和阀瓣通道隔有阀瓣，当阀杆位于最下方位置时，阀瓣将进汽通道和阀瓣通道隔开，阀体内壁与阀瓣相接触的位置安装阀座，当阀杆向上移动后，进汽通道和阀瓣通道相连通，随着阀杆向上移动距离的增大，进汽通道和阀瓣通道相连通的流通面积增大。本发明阀芯开度可以根据阀门前后压力的变化进行自动调节，即流量不随压力的变化而改变。流量控制精确、拆卸维护方便，非常适合于锅炉系统的供汽管网中。

Description

气动恒流量蒸汽调节阀

技术领域

本发明涉及的是一种阀，具体地说是蒸汽调节阀。

背景技术

近年来随着工业自动化程度的不断提高，各种气动调节阀的应用越来越广泛，同时对调节阀性能特别是其流量特性的要求也越来越高。恒流量蒸汽调节阀作为一种全新的动态调控设备，具有调节和恒定最大流量的功能，可以用于静态系统、动态系统，还可用于动态和静态混合的系统，如在锅炉系统的供汽管网中，蒸汽的流量往往需要实行均衡控制，即在蒸汽压力发生变化时而流量保持恒定。目前的蒸汽流量调节阀结构较复杂，拆卸维修困难，而且还存在着调节性能差、噪声大、易冲蚀及使用寿命短的缺点，更为主要的是流量的控制精度不高，难以进行恒流量调节。

当阀两端压差保持不变时，流量随阀门开度变化的关系称为阀的流量特性，它取决于阀芯的型线及其在系统中的位置，主要包括直线、等百分比(对数)、抛物线和快开4种类型，目前应用最为广泛的有直线流量特性和等百分比流量特性。一般情况下，阀两端压差不可能永远保持不变，这时调节阀的固有流量特性就会发生畸变，如在设计时即使流量特性为等百分比型的调节阀，在实际工作中有时也会变成快开特性，究其原因主要是调节阀阀芯型线设计中存在某些问题，使得调节阀的工作参数与设计参数不一致，在很多情况下满足不了运行调节的要求，从而无法对系统进行正常的调节。

发明内容

本发明的目的在于提供克服现有的流量调节阀结构复杂、拆卸维修困难、调节性能差、对流量的控制精度不高等问题的气动恒流量蒸汽调节阀。

本发明的目的是这样实现的：

本发明气动恒流量蒸汽调节阀，其特征是：包括阀体、阀盖、阀杆、阀瓣，阀盖固定在阀体上，阀盖里设置通孔，阀体里设置进汽通道、出汽通道、阀瓣通道，阀杆穿过通孔并进入阀瓣通道里，阀瓣固定在阀杆的底端部，阀瓣通道与出汽通道相连通，进汽通道和阀瓣通道隔有阀瓣，当阀杆位于最下方位置时，阀瓣将进汽通道和阀瓣通道隔开，阀体内壁与阀瓣相接触的位置安装阀座，当阀杆向上移动后，进汽通道和阀瓣通道相连通，随着阀杆向上移动距离的增大，进汽通道和阀瓣通道相连通的流通面积增大。

本发明还可以包括：

1、阀杆的上端部连接气动执行器，所述的气动执行器包括气室，气室里设置气膜，气室被气膜分隔成上气腔和下气腔，上气腔里充有固定初始压力的气体，气膜与阀杆的上端部相连，下气腔连通控制气路，控制气路控制下气腔的压力，使气膜产生相应的压力形变，从而带动阀杆上下运动，进而引起阀芯的开度变化。

2、所述的阀瓣为倒锥形结构，其型线通过下述方案确定：

进汽通道和阀瓣通道相连通的流通面积：

过热膨胀系数： $\mathrm{\ψ}=0.473\×\sqrt{[1-{\left(\frac{\mathrm{\β}-0.546}{0.454}\right)}^2]},$

式中：Q为蒸汽流量，为给定的固定值；μ为调节阀流量系数；P为调节阀阀前压力为给定的固定值；P_n为调节阀阀后压力，为给定的变化值，n=1，2，3，4…）；v₁为调节阀阀前压力、温度对应下的蒸汽比容；β为调节阀压力比，P_n/P₁；

进汽通道和阀瓣通道相连通的流通面积又可写为：即：式中：R为阀座开孔半径；r_n为阀后第n个压力点所对应的阀瓣半径；

依次计算出阀后第1、2…n个压力点所对应的流通面积，再把所得结果代入到中，得到相应位置的阀瓣型线半径r₁、r₂…r_n，将所有阀瓣型线半径的末端用平滑的曲线连接起来，形成阀瓣型线。

3、所述的进汽通道之前设置压力传感器，获取压力传感器检测的压力值，与设定值进行比较，从而控制气膜带动阀瓣控制进汽通道和阀瓣通道相连通的流通面积。

4、进汽通道和出汽通道的轴线均与水平成18°的斜角，阀盖里安装导向套，阀杆穿过导向套。

本发明的优势在于：本发明噪声低、抗汽蚀和使用寿命长，调节性能好，阀芯开度可以根据阀门前后压力的变化进行自动调节，即流量不随压力的变化而改变。结构简单紧凑、流量控制精确、拆卸维护方便，非常适合于锅炉系统的供汽管网中。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2a为阀瓣型线设计示意图a，图2b为阀瓣型线设计示意图b；

图3为本发明的控制原理简图；

图4为控制气路框图；

图5为蓄热器充汽时调节阀前后压力及流量特性。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，在锅炉系统供汽管网中，用于蒸汽调节和自动控制的气动恒流量蒸汽调节阀，包括阀体1，阀体1内装有成倒锥形结构的调节阀瓣2，阀瓣2下端为与之配合紧密的阀座30，阀体1上端装有阀盖9，二者采用双头螺栓7连接，阀盖9下端中心装有起密封和导向作用的导向套5，阀杆4下端有螺纹部，通过螺母3与阀瓣2相连，阀杆4顶端穿过阀盖9和填料压盖15与气动执行元件13相连，并能带动阀瓣进行上下运动，阀体两端设有进汽通道28和出汽通道29，且均与水平成18°的斜角，通道两侧的接头处装有法兰27，以便与管道进行连接，为避免蒸汽泄漏还加有衬垫24。本发明属气开式直通型单座调节阀，阀内零件均采用优质不锈钢和硬质合金材料制成，既有效地防止了冲蚀的发生，又降低了热涨系数，提高了使用寿命。

本发明解决其技术问题是这样实现的：气动恒流量蒸汽调节阀，包括阀体1、阀座30、阀芯组件和气动执行元件13等，阀芯组件中包括阀瓣2、阀杆4和阀盖9，其中阀瓣2的型线是按等流量调节特性设计的。阀盖9与阀体1接触处装有衬垫，阀盖9上端装有起密封作用的填料压盖15；阀杆4下端与阀瓣2采用螺纹连接，顶端穿过阀盖9与气动执行元件13相连；气室内装有气膜31，它将气室分成上下两个气腔，其中上气腔20内充有固定初始压力的气体。调节时通过控制气路23来改变下气腔21的压力，上下气腔存在着一定的压差，使气膜31产生相应的压力形变，带动阀杆4上下运动，引起阀芯的开度变化，从而保证蒸汽的输出流量恒定。

本发明采用计算机和测控元件的机电一体化方法，对阀前压力进行准确监控，并通过自动化手段对气室压力进行调节，从而调整阀芯的开度，稳定蒸汽汽源的压力，减少汽源负荷调节的频率，尽可能保证汽源设备以经济负荷运行。为了满足不同蒸汽流量的需要，根据汽源参数的变化范围，有多个型号的阀瓣可供选择，同时阀门开启和关闭的速度也可通过控制气路进行调节。

与常规调节阀流量特性不同的是，本发明阀瓣2成倒锥形结构，阀瓣2的型线是按等流量调节特性设计的，具体实现过程如下：

调节阀流通面积： $F=\frac{Q}{0.1594\×\mathrm{\μ}\×\mathrm{\ψ}\×\sqrt{(P-P_n)/v_1}}---\left(1\right)$

过热膨胀系数： $\mathrm{\ψ}=0.473\×\sqrt{[1-{\left(\frac{\mathrm{\β}-0.546}{0.454}\right)}^2]}---\left(2\right)$

式中：Q——蒸汽流量（用户给定，固定值），t/h；

μ——调节阀流量系数（柱塞式取为0.72）；

P——调节阀阀前压力（用户给定，固定值），MPa；

P_n——调节阀阀后压力（可为变化值由用户给定，n=1，2，3，4…），MPa；

v₁——调节阀阀前压力、温度对应下的蒸汽比容（查焓熵表），m3/kg；

β——调节阀压力比，P_n/P₁。

调节阀流通面积又可写为： $F=\mathrm{\π}(R^2-r_n^2)---\left(3\right)$

即： $r_n=\sqrt{R^2-(F/\mathrm{\π})}---\left(4\right)$

式中：R——阀座开孔半径（固定值），cm；

r_n——阀后第n个压力点所对应的阀瓣半径，cm。

当充汽量的大小根据用户的实际需求给定后，由方程（1）和（2）依次计算出阀后第1、2直至第n个压力点所对应的阀门流通面积，再把所得结果代入到方程（4）中，即可得到相应位置的阀瓣型线半径r₁、r₂和r_n，最后将有限多个半径的末端用平滑的曲线连接起来，便形成了本发明特有的阀瓣型线—等流量调节特性，如附图2所示。为了满足不同蒸汽流量的需要，根据汽源参数的变化范围，可依据此法设计加工出多个不同型号的阀瓣以备选择。

实际应用中除了调节阀本体外，还应配以相应的气动执行机构和控制系统，参考附图1、3和4。上气腔20内充有固定初始压力的气体，当调节阀42正常工作时，若阀后压力保持一定值，可通过调节下气腔21的压力，使阀芯的位置不变并保持一定的开度值，从而保证一定的输出流量；若阀后的压力不断发生变化，相应地阀前压力也会发生变化，压力传感器40会快速灵敏的检测出此时阀前蒸汽压力的大小，并将测得的输出压力值经A/D变换后实时的反馈给中央控制计算机41，控制系统将阀前压力反馈值与设定值进行比较和处理后重新发出信号，此时阀门定位器22会从控制器或控制系统中接受4～20mA电流信号，并根据传来的信号符号与大小迅速转换成对应的空气压力值，来调节控制气路23对下气腔21的充气与放气，使气膜31发生相应的压力变形，从而带动阀杆4的上下运动以达到控制阀芯开度，保证阀前压力及流量恒定的目的。此外，还可以根据需要对下气腔21的充气与放气流量进行设定，即阀门开启和关闭的速度可控。

本发明适用于锅炉供汽管道上，尤其适用于锅炉对蒸汽蓄热器频繁进行充汽的系统中，如附图3和5所示。对蓄热器充汽时，由于蓄热器的压力会逐渐升高，导致阀后压力也随之升高，为保证锅炉各处压力波动很小甚至不受影响，就需要调节阀根据前后压差的变化来调整阀门的开度，从而满足充入蒸汽流量恒定的要求。当调节阀检测到蓄热器的压力上升到设定值，不再需要对其进行充汽的信号后，下气腔中的气体会迅速排出，气膜发生变形带动阀杆及阀芯向下运动，直至关闭。此后蒸汽转入到旁路中，由旁路调节阀对其进一步控制，由此减小了对汽源的冲击，保证了锅炉安全经济地运行。

Claims (5)

1.气动恒流量蒸汽调节阀，其特征是：包括阀体、阀盖、阀杆、阀瓣，阀盖固定在阀体上，阀盖里设置通孔，阀体里设置进汽通道、出汽通道、阀瓣通道，阀杆穿过通孔并进入阀瓣通道里，阀瓣固定在阀杆的底端部，阀瓣通道与出汽通道相连通，进汽通道和阀瓣通道隔有阀瓣，当阀杆位于最下方位置时，阀瓣将进汽通道和阀瓣通道隔开，阀体内壁与阀瓣相接触的位置安装阀座，当阀杆向上移动后，进汽通道和阀瓣通道相连通，随着阀杆向上移动距离的增大，进汽通道和阀瓣通道相连通的流通面积增大；

所述的阀瓣为倒锥形结构，其型线通过下述方案确定：

进汽通道和阀瓣通道相连通的流通面积：

过热膨胀系数： $\mathrm{\ψ}=0.473\×\sqrt{[1-{\left(\frac{\mathrm{\β}-0.546}{0.454}\right)}^2]},$

式中：Q为蒸汽流量，为给定的固定值；μ为调节阀流量系数；P为调节阀阀前压力为给定的固定值；P_n为调节阀阀后压力，为给定的变化值，n＝1，2，3，4…)；v₁为调节阀阀前压力、温度对应下的蒸汽比容；β为调节阀压力比，P_n/P₁；

进汽通道和阀瓣通道相连通的流通面积又可写为：即：式中：R为阀座开孔半径；r_n为阀后第n个压力点所对应的阀瓣半径；

依次计算出阀后第1、2…n个压力点所对应的流通面积，再把所得结果代入到中，得到相应位置的阀瓣型线半径r₁、r₂…r_n，将所有阀瓣型线半径的末端用平滑的曲线连接起来，形成阀瓣型线。

2.根据权利要求1所述的气动恒流量蒸汽调节阀，其特征是：阀杆的上端部连接气动执行器，所述的气动执行器包括气室，气室里设置气膜，气室被气膜分隔成上气腔和下气腔，上气腔里充有固定初始压力的气体，气膜与阀杆的上端部相连，下气腔连通控制气路，控制气路控制下气腔的压力，使气膜产生相应的压力形变，从而带动阀杆上下运动，进而引起阀芯的开度变化。

3.根据权利要求1或2所述的气动恒流量蒸汽调节阀，其特征是：所述的进汽通道之前设置压力传感器，获取压力传感器检测的压力值，与设定值进行比较，从而控制气膜带动阀瓣控制进汽通道和阀瓣通道相连通的流通面积。

4.根据权利要求1或2所述的气动恒流量蒸汽调节阀，其特征是：进汽通道和出汽通道的轴线均与水平成18°的斜角，阀盖里安装导向套，阀杆穿过导向套。

5.根据权利要求3所述的气动恒流量蒸汽调节阀，其特征是：进汽通道和出汽通道的轴线均与水平成18°的斜角，阀盖里安装导向套，阀杆穿过导向套。