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減溫減壓系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的工藝要求及選定
發(fā)布于：2019/11/1 13:04:46 點擊量：240
作 者： 沈中奇
摘 要： 本文論述減溫減壓系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備調(diào)節(jié)閥應(yīng)用中的問題，以及分析問題的過程和解決的方法。
1 前言
在減溫減壓系統(tǒng)中，關(guān)鍵設(shè)備減壓閥前后壓差大，易產(chǎn)生泄漏、噪聲及氣蝕，自動控制也會失效。本文在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析工藝系統(tǒng)對調(diào)節(jié)閥的要求。并通過工藝參數(shù)分析，對廠家計算的分析來確定選用產(chǎn)品。文章最后從我廠系統(tǒng)改造前后的情況對理論分析予以確認(rèn)。
2 工藝條件及改造前的工藝狀況
在我公司自用蒸汽的工藝生產(chǎn)中，有一臺關(guān)鍵設(shè)備為減溫減壓器，該設(shè)備將鍋爐生產(chǎn)的蒸汽（在不通過汽輪機發(fā)電的情況下）從2.48MPa 430oC減溫減壓到0.35MPa 170oC，以滿足公司其他用汽單位的需求；該減溫減壓器上的減壓閥和減溫水分配閥為該減溫減壓器廠配套的，型號為Y45Y100-Dgl50雙座減壓閥和JF61H-100DN32給水分配閥；該設(shè)備自公司生產(chǎn)以來，連續(xù)運行了4年多，基本上能滿足公司生產(chǎn)的要求；但在這4年多的運行期內(nèi)，我們也發(fā)現(xiàn)該設(shè)備存在一些問題，主要表現(xiàn)在如下幾方面：
（1）減壓閥的泄漏量大，特別是在蒸汽通過汽輪機發(fā)電的情況下，在該種條件下，該減壓閥應(yīng)該是完全關(guān)死的，但由于雙座閥本身的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量等問題，該閥門在全關(guān)位置時仍有較大的蒸汽泄漏量，造成了不必要的能源損耗，并增大了生產(chǎn)成本。
（2）調(diào)節(jié)范圍小：從雙座閥的調(diào)節(jié)特性可知，該閥的調(diào)節(jié)范圍比較小；根據(jù)工藝的實際操作情況來看，在鍋爐小負(fù)荷運行時（蒸汽產(chǎn)能在10t/h時），該減壓閥無法完成對蒸汽壓力的調(diào)節(jié)，即在蒸汽流量小于1Ot/h時，無法對蒸汽壓力進行調(diào)節(jié)。
（3）控制精度低，穩(wěn)定性差：減壓閥和減溫閥的控制采用的是帶伺服放大器角行程電動執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)與閥桿的聯(lián)結(jié)采用的是杠桿；伺服放大器的型號過于陳舊，平衡和穩(wěn)定度的調(diào)節(jié)過于復(fù)雜，可能由于用于伺服放大器和反饋板上的電子元件器件未經(jīng)工業(yè)化處理，故對環(huán)境的要求也較高，在高溫和粉塵環(huán)境中工作不穩(wěn)定；執(zhí)行機構(gòu)與閥體的聯(lián)結(jié)設(shè)計不合理，多支點的杠桿聯(lián)結(jié)方式雖然滿足了將角行程電動執(zhí)行機構(gòu)輸出力的放大，但由于杠桿各聯(lián)結(jié)點存在較大的機械縫隙，無法滿足整個控制系統(tǒng)對控制精度及控制穩(wěn)定性的要求.因此對這兩臺閥的控制精度和控制穩(wěn)定性均較差，無法滿足自動的要求，自生產(chǎn)開車以來一直處于手動和現(xiàn)場操作狀況，控制精度低。
（4）日常維修量大，工藝操作困難：由于該控制系統(tǒng)上的設(shè)備在當(dāng)時選型時均有一定的缺陷，因此在實際運行時總是存在一些問題，每周均有2-3次的維修，而且工藝自開始生產(chǎn)以來就沒有投上過自動，增加了工藝操作人員的操作難度。
為了解決上述設(shè)備所存在的問題，更好的滿足工藝安全生產(chǎn)的要求，我們決定對該減溫減壓器上的減壓閥和減溫水分配閥及其控制系統(tǒng)進行改造，根據(jù)工藝的要求及公司目前的生產(chǎn)狀況，該兩臺閥應(yīng)滿足如下的工藝生產(chǎn)條件：
a）蒸汽減壓調(diào)節(jié)閥
工藝管徑：150mm（DN150、PN10）介質(zhì)：蒸汽
溫度：Max 4300C
流量：Qmin4t/h Qnor15t/h Qmax20t/h
進口壓力：2.45MPa
出口壓力：0.35MPa
配電動執(zhí)行機構(gòu)：電源為220VAC/50Hz
輸入信號為：4—20mA
閥位反饋信號為：4—20mA
執(zhí)行機構(gòu)上帶手動開/關(guān)手柄或手輪
b）減溫水閥
工藝管徑：32mm（DN32、PNIO）
介質(zhì)：水
溫度：1080C
流量：Qmax 2500kg/h
進口壓力：3.OMPa
出口壓力：0.4MPa
配電動執(zhí)行機構(gòu)：電源為220VAC/50Hz
輸入信號為：4～20mA
閥位反饋信號為：4～20mA
執(zhí)行機構(gòu)上帶手動開/關(guān)手柄或手輪根據(jù)以上的工藝條件，我們將調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行機構(gòu)分開選型，首先確定執(zhí)行機構(gòu)，然后再選調(diào)節(jié)閥，再由調(diào)節(jié)閥的供貨商提供成套。
3 電動執(zhí)行機構(gòu)的選型
根據(jù)工藝運行的需要及工藝人員的要求，此調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)我們決定選用電動執(zhí)行機構(gòu)，為此就我們所掌握的資料，經(jīng)多方比較我們選擇如下三家在全世界范圍內(nèi)較有名氣的電動執(zhí)行機構(gòu)專業(yè)生產(chǎn)廠家：日本KOSO、德國auma、英國Rotork。
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經(jīng)我們了解三家廠的產(chǎn)品基本情況如下：
表1
廠家 | KOSO | auma | Rotoyk |
產(chǎn)品原產(chǎn)地 | 中國鞍山 | 德國 | 英國 |
生產(chǎn)適用范圍 | 化工、電廠 | 化工、電廠 | 化工、電廠 |
傳動方式 | 皮帶傳動 | 齒輪傳動 | 齒輪傳動 |
手動操作 | 不帶手輪 | 帶手輪 | 帶手輪 |
輸出力矩 | 0~1500N.M | 30-3200N.M | 30-3000N.M |
適用環(huán)境溫度范圍 | -10-+60℃ | -25-+80℃（普通型）0-+120℃（高溫型） | -25-=80℃ |
過載保護 | 無過載保護 | 有過載保護 | 有過載保護 |
從以上三種產(chǎn)品中，我們選擇了德國的auma電動執(zhí)行機構(gòu)，理由如下：
3.1 環(huán)境溫度
目前我公司正在用的減溫減壓器附近的環(huán)境溫度我們實測為：離閥座250px處的溫度為2200C左右，在此點往上再上移375px，此處溫度為720C，而目前所用的電動執(zhí)行機構(gòu)處的溫度為560C。根據(jù)我們這幾年的使用KOSO的經(jīng)驗來看，KOSO對環(huán)境溫度是小于600C，但在570C左右時，此電動機構(gòu)即出現(xiàn)工作不正常的情況。因此，KOSO的電動執(zhí)行機構(gòu)不能用于此減溫減壓器上，而auma及Rotork的工作范圍為-250C-+800C，且auma還有一種高溫型的，可將適用環(huán)境溫度范圍擴展為0-+120oC，而在我們的此處應(yīng)用中，選用-250C一+800C=的普通型即可。
3.2 輸出力矩
目前我公司20t/h減壓閥上的伺服電機額定輸出力矩為250N.M，但在給減壓閥出力時應(yīng)用了一個杠桿，將此力放大了6倍（現(xiàn)場杠桿力臂分別為1625px 比275px）。這樣對此減壓閥的輸出力矩實際上在1500N.M左右，而從上表中可以看出，l500N.M的力矩輸出對KOSO電動執(zhí)行機構(gòu)來說已是上限了，沒有余量，因此只有auma及Rotork可以。
3.3 應(yīng)用情況
（1）KOSO電動執(zhí)行機構(gòu)在我公司電站已有較多的應(yīng)用，在較低的環(huán)境溫度（530C=以下），小力矩輸出（500N.M以下）的條件下使用情況較好，維修量也較少，這幾年的運行也較滿意。
（2）auma電動執(zhí)行機構(gòu)我公司的維修人員有對該產(chǎn)品的使用及維修經(jīng)驗，據(jù)維修人員反映，此執(zhí)行機構(gòu)在用了十幾年后，均能一直很好的工作，維修量極少，建議我們也用此電動執(zhí)行機構(gòu)。
（3）Rotork執(zhí)行機構(gòu)在我們的兄弟單位有應(yīng)用，該廠的電站有幾臺調(diào)節(jié)閥也是用的Rotork的電動執(zhí)行機構(gòu)，使用了一年多，工作一直很好，幾乎沒有維修量。
（4）在性能價格方面
經(jīng)我們的了解比較，如果將auma的價格定義為lA的話，則KOSO的價格為（0.3—0.4）A，而Rotork的價格為（1.2一1.3）A。
基于上敘理由．我們決定采用auma公司的電動執(zhí)行機構(gòu)。
4 調(diào)節(jié)閥的工藝要求及選型
由于調(diào)節(jié)閥的選型，涉及到的因素較多，考慮的因素也很復(fù)雜，涉及到多個專業(yè)，不是此方面的專業(yè)廠家，有此因素怕考慮不到，而且此設(shè)備對我們來說即關(guān)鍵又投資高，因此在選擇供貨商時，我們約定了如下原則：
直接同生產(chǎn)廠家或該廠家的辦事處聯(lián)系，此點主要是從技術(shù)支持上考慮。
必須是世界上有名的且在此方面有較優(yōu)良的生產(chǎn)及服務(wù)業(yè)績的大生產(chǎn)廠家，此點主要從產(chǎn)品質(zhì)量和信譽上考慮。
價格上必須要有競爭力。
基于以上三點原因，就我們所掌握的資料和情況，我們選擇了三家生產(chǎn)廠家，分別是：美國Fisher公司，芬蘭Neles公司和德國的Samson公司。
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以上三家的代表在收到我們的工藝條件后，又經(jīng)過多次聯(lián)系，反復(fù)核實有關(guān)的技術(shù)及工藝參數(shù)，均做出了選型，且有三家均在選型中提供了調(diào)節(jié)閥選型計算書（均按我方要求，配auma電動頭，并調(diào)試好、總成交貨），情況如下：
表2
天津Figher | 德國Samson | 芬蘭Neles | |
所選型號 | ED-4&ED-1 | TYPE251&TYPE241 | QXA-T5D1306ADFA.03&fc01d-WSXKLCTDH3 |
供貨周期 | 12-16周 | 12-14周 | 16-20周（包括4周海運期） |
從三家的報價情況及后來的技術(shù)交流中了解到：Fisher及Samson所選閥為單座閥，而芬蘭Neles選的為球閥（帶Q—Trim內(nèi)鍵的TOP5系列）。
單座調(diào)節(jié)閥即為globe閥，從該閥的結(jié)構(gòu)上可知為不平力衡閥，一般介質(zhì)流向為下進上出（Fisher及Samson均選此種閥），該類閥的閥芯是通過上下行程方式來控制介質(zhì)流量的，因而配該閥的執(zhí)行機構(gòu)為上下行程的直行程機構(gòu)；而NELES的TOP5系列調(diào)節(jié)閥為球閥結(jié)構(gòu)，閥芯通過0—90度的開關(guān)角度來控制介質(zhì)的流量，因而配該閥的執(zhí)行機構(gòu)為0—90度的角行程程機構(gòu)。
下面就此三家廠家所報的兩種閥型比較如下：
4.1 調(diào)節(jié)閥在工作時對執(zhí)行機構(gòu)出力的要求
單座閥由于本身設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)上的原因，在大差壓的情況會產(chǎn)生巨大的不平衡力，具體到我們的工藝條件下，如果按我們的工藝條件：即6”（150ram）閥及2.1MPa的差壓，所產(chǎn)生的不平衡力約為：1854.6 kg，考慮到l5%左右的余量，至少也在2l00kg左右此點在Samson的計算書中已體現(xiàn)出來，他們計算出來的推力在l8.8KN左右，而Fisher在同我們的交流中，也說到此不平衡力，而且也很大，但在的計算書中沒有表述出來。由于電動執(zhí)行機構(gòu)出力要有大于此不平衡力才能關(guān)閉此閥，因此電動頭的功率要較大，而且單相220VAC的電機已滿足不了此要求，必須要三相380V的電機才能產(chǎn)生此巨大推力。在Samson的計算書中，也已考慮了此問題，他們是采用三相380V電源的。由于要求電機產(chǎn)生的推力大，因而電機功率也要大，對電動執(zhí)行機構(gòu)的要求也高，因而價格也較貴，此點Samson和Fisher的報價均有體現(xiàn)。而在eles報價中，由于他們采用的是TOP5系列的球閥，因此非常巧妙地避開了此難題。電動頭提供的是力矩，比直接作用在閥上的推力要小得多，經(jīng)他們計算，認(rèn)為只需80N.M的扭力即可，這樣電動執(zhí)行機構(gòu)輸出的力就小得多：電動頭的價格要低，整體價格自然也就有競爭力了。
4.2 調(diào)節(jié)閥噪聲與汽蝕
在調(diào)節(jié)閥的選型中，另一個重要的要考慮的問題是噪聲及汽蝕。特別是介質(zhì)為高溫高壓的蒸汽。就調(diào)節(jié)閥來說，前后差壓愈大，介質(zhì)流速就愈大；流速愈大，則產(chǎn)生的噪音就愈大；噪聲愈大，對閥芯和閥內(nèi)件的破壞也愈大。噪聲生產(chǎn)后，不僅嚴(yán)重傷害閥芯和閥內(nèi)件，在嚴(yán)重的情況下，還能對閥的下游工藝管道引起共振，嚴(yán)重影響工藝的正常生產(chǎn)；另外噪聲對工人的工作環(huán)境也產(chǎn)生極大的危害，依據(jù)國家《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的第五、六條的要求，每個工作日接觸噪聲8小時，允許噪聲為85dBA以下，每個工作日接觸噪聲小于l小時，噪聲最大不超過1l5dBA。除此之外，伴隨著噪聲的產(chǎn)生，還會有氣蝕、閃蒸等一系列問題伴隨出現(xiàn)，這些情況的出現(xiàn)，將嚴(yán)重影響調(diào)節(jié)閥的工作質(zhì)量及穩(wěn)定性，更會大大地縮短此閥的使用壽命。
具體就我們所選的調(diào)節(jié)閥中，如果采用單座閥（即Samson及Fisher報價中所選的閥型），在我們目前的工藝條件下，經(jīng)計算此類閥產(chǎn)生的噪聲可達l13 dBA，其中Fisher閥可選減噪聲的附件，最多可減去一17 dBA，這樣該閥所產(chǎn)生的噪聲應(yīng)在96 dBA左右。在Neles的計算書中，對噪聲有一欄專項計算，由于Neles所選的TOP5系列的調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件采用了很好的降噪及消除汽蝕內(nèi)件，即Q—Trim降噪件（Neles的專利），該Q—Trim 內(nèi)件的結(jié)構(gòu)如下（圖1）：
從該結(jié)構(gòu)圖中，我們可以了解到，該閥的球芯上已做成了多孔多級的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)本身即符合降噪原理（即逐級降壓），因此具有良好的降噪功能：同時該結(jié)構(gòu)與通常所說的球閥已有本質(zhì)的區(qū)別，除繼承了球閥的基本特點：如緊密的關(guān)閉，全通經(jīng)高流量，內(nèi)阻小等外，還有如下新的特點：如低噪聲，高調(diào)節(jié)比，調(diào)節(jié)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)范圍內(nèi)無工作死區(qū)和遲滯帶等；由于具有這些特點，因而提高了該閥的調(diào)節(jié)特性，如我們在后面要提到的良好的等百分比調(diào)節(jié)特性。
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在采用了具有降噪功能的Q—Trim內(nèi)件外，為了更好的達到我們的降噪要求，該閥在出口處又再加了一塊降噪音衰減板（attenuator plate），具體到我們的工藝條件下，此閥的噪聲控制得非常好（加降噪音衰減板具體結(jié)構(gòu)如圖2）。此外，對其他更苛刻的工藝條件的降噪，該閥還可在Q—Trim內(nèi)件和噪音衰減板（attenuator plate）之間再加一個降噪器（dif-fuser），具體結(jié)構(gòu)如圖3所示；這樣在一臺閥上可實現(xiàn)三級降噪；因此從該閥的結(jié)構(gòu)上看，已具備了非常好的降噪的特點。、
根據(jù)我們的工藝條件，我們只用了兩級降噪即滿足了我們的降噪要求，在我們的工藝條件下，此閥所產(chǎn)生的噪聲最大為91.85dBA，而且根據(jù)我們的工藝指標(biāo)，在三種典型工藝條件下（流量分別為20t/h、15t/h、4t/h），其他條件不變）。噪聲分別為91.85dBA、89.94dBA、81.64dBA。根據(jù)我公司的生產(chǎn)狀況，此流量正常一般為15t/h左右，此時噪音為89.94dBA，只需在閥體外稍稍加上保溫措施，即可達到噪音在85dBA以下，從而達到國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在三個廠家的選型中，Neles所選的TOP5系列閥的噪音控制是最好的，很好地解決了在此大差壓中產(chǎn)生噪聲的問題，這樣就為此閥今后的使用狀況及使用壽命，打下了良好的基礎(chǔ)。
4.3 調(diào)節(jié)特性
三家公司均對所選型號的調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性均做了說明，即等百分比調(diào)節(jié)，但Neles的計算書中，對我們的工藝條件中的三個最具代表性的工藝流量點，即20t/h、15t/h、4t/h所對應(yīng)的調(diào)節(jié)點進行r計算，分別對應(yīng)：59.67% 、49.02% 、16.38% 開度。即在等百分比調(diào)節(jié)特性曲線中的16% -60%之間，從等百分比特性曲線中我們可以了解到在15% -75% 之間，調(diào)節(jié)特性是最為理想的。
5 結(jié)論
通過對此三家調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品分析和比較和應(yīng)用調(diào)查，結(jié)合我公司工藝生產(chǎn)情況，我們認(rèn)為在我廠減溫減壓器的改造中，選用Neles公司的產(chǎn)品是可行的，在各項技術(shù)指標(biāo)中也能完全滿意我們工藝及技術(shù)的要求。
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6 改造后的工藝狀況
經(jīng)過充分的準(zhǔn)備和安排，我公司減溫減壓改造按計劃在99年年底停車檢修時如期進行，在將兩臺閥改造的基礎(chǔ)上，我們還對閥的控制系統(tǒng)進行了改造，去掉了伺服控制系統(tǒng)，改在控制室內(nèi)加裝強制手動的手操器，自動控制則采用DCS，在控制室的操作盤的手操器上，可實現(xiàn)手/自動切換，手動時由手操器上進行操作，自動時由DCS系統(tǒng)來執(zhí)行控制，同時在該閥的現(xiàn)場，該auma執(zhí)行機構(gòu)上還有手動搖輪，可實現(xiàn)在現(xiàn)場進行人工調(diào)節(jié)；這樣在控制上更可靠，工藝操作更靈活。
經(jīng)過上述的改造，在隨后的生產(chǎn)中，該減溫減壓器在運行中表現(xiàn)出了良好的工況，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：
（1）在使用汽輪機發(fā)電的情況下，該蒸汽調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時，能完全關(guān)死，沒有泄漏現(xiàn)象，減少了能量損失，降低了生產(chǎn)成本。
（2）調(diào)節(jié)特性有了明顯的改善，改造前在10t/h蒸汽流量的情況下，減壓調(diào)節(jié)閥沒有調(diào)壓能力，改造后即使在蒸汽流量只有6t/h的情況下，該減壓調(diào)壓閥均能將出口蒸汽壓力很好地控制在0.35MPa±0.02MPa的范圍內(nèi)，更好地滿足了生產(chǎn)的需求。
（3）改造后，該閥的噪聲控制良好，在沒有保溫的條件下，流量在15h/t時，離該閥0.5米處測得的噪聲為89.2 dBA；在加上保溫后，離該閥0.5米處測得的噪聲為83.8dBA，完全達到了當(dāng)時我們選型要求達到的降噪目標(biāo)，而且還稍稍有點超出。
（4）控制特性有了極大的提高，由于auma電動執(zhí)行機構(gòu)本身即帶有4—20mA的閥位反饋輸出，且傳力為緊湊的齒輪結(jié)構(gòu)，又加上我們將自動控制改由DCS系統(tǒng)來執(zhí)行，因此大大的提高了控制精度，同時控制的可靠性和穩(wěn)定性也得到了極大的改善；在改造完成后即很順利的投上了自動，控制效果非常好，減輕了操作人員的操作難度，提高了控制效率，較好地解決了自開車生產(chǎn)以來就遺留下來的生產(chǎn)難題。
（5）改造后，維修量極大地減少；到目前為止系統(tǒng)已穩(wěn)定可靠的運行了2年多，還沒有對該系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)進行過任何維修，作為工藝對改造后的結(jié)果非常滿意。
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