（黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161000）
摘要：介绍了蒸汽系统控制阀结构特点。通过分析影响选型因素的变化进而确定控制阀 ，选型公式。论述选择蒸汽系统控制阀需要考虑的主要因素。
关键词： 喷嘴；控制阀；选型
Control Valve Sizing for Steam Systems
Jun-gai
(Huadian energy qiqihar thermal power co., LTD)
Abstract: This paper analyses and introduces the structural characteristics of the steam control valve systems. By analyzing the factors that affecting the changes in selection and to determine the formula for control valve selection. Discusses the selection of control valve used in steam system, the main factors to consider.
Key words: control valve; nozzle; Sizing
蒸汽控制阀是将蒸汽的压力和温度集合控制在某一个控制单元内。这些阀门代表了在能源费用上升和更加严格的设备运行条件下对蒸汽品质需要更好的控制的需求。蒸汽控制阀也能提供更好的温度控制、降低噪音。为了使控制阀获得调节流量的动力，必需产生一定的压力损失，也就是控制阀前后应有一定压差。这个压差的大小关系到调节口径计算的正确性。调节性能的好坏和设备动力的经济型。
控制阀的计算压差是指阀门全开时（最大流量时）阀上压差。在考虑控制阀的计算压差时应兼顾两个方面。一方面，从装置的经济投资出发，希望调节阀压力损失尽可能减少，即希望调节阀压差尽可能小些，这样可以节约动力。但另一方面，从工作特性上来说，必需使调节阀压差在整个系统中占有一定的比例，才能保证调节阀具有较好的调节系能
一、临界压力
介质在管道内的流动可能有两种状态：层流和紊流。若管道内未粘性介质，且流速很低时，择可能出现层流，但在绝大多数情况下，管道内介质的流动呈稳流状态。通过控制阀的质量流量会随压差的增大而增加，直到达到“临界压力”状态。可以通过喷嘴的工作原理以及同控制阀的比较来进行解释。假设一个接近理想的小孔，如图1所示的渐缩渐扩喷嘴。如果按照上下游压力和供汽条件正确设计，其形状可以满足高效运行。
这样的喷嘴可以认为是一种热力机，将热能转变为机械能（动能）。设计要求是在给定的压降下释放所要求的蒸汽量，同时产生的紊流和摩擦损失最小。
在收缩段，随着压力的降低，蒸汽的比容增加，但蒸汽流速随着压力的降低而增加。开始时，流速的增加远远快于比容的增加，通过这部分喷嘴所需要的流通面积减小。在某个点，比容的增加快于流速的增加，流通面积必须更大。在此点，蒸汽流速达到音速，流通面积为最小值。在这个最小流通面积或“喉口”处的蒸汽压力称为“临界压力”，如果是饱和蒸汽的话，可以发现这个压力同初始压力（绝对压力）的比值接近0.58。当阀门出口压力降低到闪蒸点时，阀内的液体闪蒸为气体。若压力再进一步降低，则随着气体容积的增加，液体流量也增加。等到阀内流道全部为气泡堵塞时，即使阀后压力再降低（即压差再增大），流量也不会再增加，这种现象成为“阻塞流动”。
临界压力会由于流体的特性而有轻微的改变，尤其与蒸汽（或其它气体）的 CP/CV有关，称为流体绝热指数或等熵幂，用符号“n”、”k”、“ γ”表示。过热蒸汽是0.55，空气是0.53。
临界压力比可以用公式2表示：
临界压力比=
式中γ是给定值：
湿蒸汽，γ=1.035+0.1（x）
“x”是蒸汽干度，0.8＞x＞1
干饱和蒸汽：γ=1.135
过热蒸汽： γ=1.3
对于干饱和蒸汽，使用公式2
显然，在“临界压力”下通过给定大小的喉部的流量最大。为了达到更大的流量，应采取如下措施：
a.增大流速，通过增大压降实现。但同时也会更大程度上增大比容。
b.减小比容，只有通过减小压降实现。但同时也会更大程度限制了流速。
因此，一旦在喷嘴的喉部达到了临界压降，或者在使用孔板时达到“最小缩流断面”，进一步减小下游压力将不能再增加流过设备的流量。
若果通过整个喷嘴的压降大于临界压降，在喉部就会产生临界压力。通过喉部后，蒸汽将会膨胀，如果出口面积正确选型，在喷嘴出口处达到所需的下游压力，当蒸汽以高速流出喷嘴时产生的湍流很小。
如果喷嘴的出口过大或过小，在喷嘴出口处会出现湍流，引起流量减少和噪音的增加：
a.如果喷嘴出口过小，蒸汽无法足够膨胀，只能在下游管道中继续膨胀，直到在低压区达到下游压力。
b.如果出口过大，蒸汽在喷嘴内膨胀过度，出口蒸汽的压力低于所要求的压力值，使得蒸汽在出口外再次压缩至所需的低压值。
喷嘴的形状如图1所示是平滑的轮廓线，最小的缩流断面发生在喷嘴的喉部处。控制阀可以和渐缩渐扩喷嘴进行类比，两者都有一个高压区（在阀门进口）、一个缩流断面（在阀瓣和发作之间的进口），一个喉部（阀瓣和阀座之间最窄的间隙），一个扩流断面（从阀瓣和阀座的出口）和低压区（阀体下游）如图2所示：
喷嘴和控制阀具有不同的功能。喷嘴主要涉及用于增加蒸汽的流速以提高做功，因此蒸汽在喷嘴出口的流速依然很高。
相反，控制阀是一种限流或“节流”设备，用于使蒸汽流产生明显的压降。控制阀喉部的出口蒸汽流速同蒸汽离开渐缩渐扩喷嘴时的状态相似；因此在喉部以后阀瓣和阀座之间的渐扩通流段，蒸汽膨胀，流速增加。如果通过阀门的压降大于临界压降，因为压力小于喉部的压力，该区域蒸汽流速会增加至超音速。
过了这一点，蒸汽进入阀体内（低压区）相对较大的腔体，由于管道内背压作用，蒸汽处于相对高压，引起流速和动能的快速下降。按照稳定流动能量方程，蒸汽的焓值增加至同进口处基本相同。其中微小的区别是由于流过阀门时摩擦造成能量损失。
从这一点开始，阀体内的蒸汽流渐缩至阀门出口，压力和密度接近下游管道的压力和密度。当压力稳定后，对于阀门进口界面的流速也稳定。
如图3所示虚线表示了通过阀门时体积的相对改变量。
当通过控制阀的压降大于临界时，在低压区由于大量的动能和热能之间瞬时转换而产生噪声，有时会由于超音速的蒸汽的存在加剧这种状况。
二、阀门出口流速、噪声、冲蚀、干度和过热的影响
在进行控制阀选型时，噪声是需要考虑的一个很重要的因素，不仅是因为它会增加声音等级，同时会产生振动损坏阀门的内部件。可以使用特殊设计的降噪阀门内件来降低噪音，但是更加便宜的解决方法是安装一个稍微大一点的阀门。通常认为如果干饱和蒸汽在控制阀出口的流速大于100m/s的话，产生的噪音将无法接受。 声音在蒸汽中的流速取决于蒸汽的温度和品质，在条件已知的情况下用公式2来计算：
公式2
式中：
C =蒸汽中的音速（m/s）；
31.6 =比例常数；
γ =蒸汽的绝热指数（饱和为1.135，过热为1.3）；
R =0.4615蒸汽的气体常数（Kj/kg）;
T =蒸汽的绝对温度（K）
另外可使用一个相对简单的方法对噪声是否构成问题进行估算，就是计算阀门的出口流速。对于干饱和蒸汽，如果阀门的出口流速大于150m/s，那么阀体选型太小（即使阀瓣能满足所要求的流量）。高流速还会产生阀体下游的冲蚀，尤其是当蒸汽比较潮湿的时候。控制湿蒸汽的出口流速不超过40m/s。
通过控制阀压力下降产生的另一个问题是蒸汽干度增大或产生过热，这取决于进入阀门的工况。通常不希望有大的过热度存在，因此需要确定是否发生过热。对于过热蒸汽（和干气体），允许的阀门出口流速可以达到170m/s；但是，液体的出口流速必需小于10m/s。
由于通过阀座和喉部下游侧限流通道的存在，需要更大的压力降达到最大流量。球阀和蝶阀的内部结构使得部分压力在喉部下游侧恢复，因此能在比预期值更小的压降下达到最大流量。
当饱和蒸汽进入控制阀时会有一定的水分，蒸汽的干度可能为97%或98%。如果蒸汽通过合适的汽水分离器，那么干度几乎能接近100%。如果压降不是很小，湿蒸汽可能会变成干饱和蒸汽或者带有一点过热度。如果进口为干蒸汽，同时阀门的压降很大，那么蒸汽将会产生很大的过热度。
三、控制阀选型：
控制阀将热能转换为动能的效率不如喷嘴高。蒸汽通过阀门进口、喉部、阀门出口，流道相对比较曲折。在控制阀中由于摩擦造成的能量损失远远大于喷嘴，而且由于阀门出口面积不太可能同下游蒸汽状态相匹配，阀瓣和阀座之间的位置关系也是不断改变的，导致阀门出口通常出现湍流。因此不同型式的控制阀要达到临界所需的压力降和上述喷嘴所需的值有所不同。由于通过阀座和喉部下游侧限流通道的存在，需要更大的压力降达到最大流量。球阀和和蝶阀的外形使得一部分压力在喉部下游侧恢复，因此在比预期值更小的总压降下达到最大流量。
假定饱和蒸汽的临界压力位上游绝对压力的58%。如果控制阀上游的压力为10MPa,通过阀门的最大流量为下游压力位：
10MPa×58%=5.8 MPa
相应地，临界压力降为上游的42%，也就是说压降率为0.42，一旦达到这个下游压力，压力的继续减小不再引起质量流量的增加。
由于阀门选型过大，温度会在设定值附近产生“振荡”，这取决于控制器的设定和二次侧的温度，以及系统滞后的时间。阀门行程的微小改变会引起流量很大的改变，尤其是对线性流量特性的阀门。运行负荷通常远远小于全负荷，阀门将长时间工作于阀瓣靠近阀座的情况，这样高速水流挤压在很窄的流通面并产生冲蚀。将缩短控制阀的使用寿命。
四、蒸汽系统球形阀的简化选型
蒸汽系统在控制阀中的流动和膨胀是一个相对的过程。有各种各样不同的复杂的选型计算公式，但是在实际应用中，使用结合“最合适”的数学曲线和经验公式3所示是用于饱和蒸汽节流的球形阀的计算公式。此处假定临界压力发生在上游压力的58%处。
公式3
式中：
ms=质量流量（kg/h）;
Kv=阀门流量系数（m3/h•MPa）;
P2=下游压力（MPa）
如果P2小于临界压力时使用公式3，括号（0.42-x）为负值。将其考虑为0，因此可以将平方根去掉，此时可以简化为公式4
公式4
KV值不仅仅可用于阀门选型，也可对不同类型阀门和不同制造商生产的阀门的流通能力进行比较。比较两个来自不同厂商的DN100的阀门，A阀门的Kv值是100，B阀门的Kv值是80，在相同压降下A阀门的流通能力更大。
由于湿蒸汽通过控制阀出口，将会导致所选控制阀口径增大。 因此可考虑在控制阀前安装汽水分离器的，以提供更好的调节，并在蒸汽负荷变化时使所选口径的阀门的控制更准确。确保干蒸汽通过控制阀时，减少阀座处和阀门出口处的冲蚀。
在蒸汽系统中，等百分阀门时比线性阀门更好的选择，因为低压降时对工作系统的影响相对更小。
五、选择蒸汽系统控制阀需要考虑的主要因素
选择蒸汽系统控制阀需要考虑的因素主要包括：
1.需要考虑的质量流量或体积流量（最大、正常或最小）
2.流体介质（影响到阀体和内部件的材质）
3.在最大、正常和最小负荷下地上游压力
4.在最大、正常、最小符合下地下游压力
5.需要的Kv值
6.在最大、正常和最小符合下通过阀门的压降
7.阀门的口径
8.最大的关闭压差
9.进口端及出口端的连接方式
10.通过阀体的介质的最高温度。
11.阀体的材质和公称压力等级
12.一些特殊要求，例如特殊填料选择、硬化的阀座和阀瓣、达到紧密关闭的软阀座和其它等。
13.行器和控制的方式，如电动、气动、液动等
14.噪声水平。如果有人在没有防护的状态下工作时，通常需要将阀门1m处的噪音控制在85dbA以下
15.压降、阀体和噪声水平相互联系，都应考虑到。对饱和蒸汽需
要将在阀体内的下游蒸汽流速控制在150m/s,对过热蒸汽控制在250m/s。可以通过增大阀门口径来实现，同时也可以减小阀门出口流速，减少噪音超标的可能性。可以认为饱和蒸汽的出口流速在150m/s至200m/s之间。因为在这种情况下，由于减压作用干饱和蒸汽离开控制阀的时候是过热蒸汽。
16.泄漏和切断。控制阀是用来调节流量的而不是切断供汽，因此在全关的时候会有轻微的泄漏。控制阀按照标准的泄漏等级进行生产。总的来说，控制阀关闭越严密，价格越高。对蒸汽控制阀来说0.01%的泄漏率适合于大多数的应用场合。
17.调节比。通常表示为控制阀可能的最大流量与最可控制的最小流量之间的比值。
18.控制调节比。通常表示为阀门最大可控流量同最小可控流量之间的比值。对于蒸汽应用来说，通常需满足50:1的控制调节比。
六、结语
要为指定参数的工况提供相关的控制阀阀体类型、材质和内部件结构形式的最佳组合，需要仔细地考虑阀体组件的选型事宜。当为确保能够获得满意的操作性能并尽量降低初始费用而选择一个阀门时，还必须考虑流通能力要求和系统的操作压力范围。根据蒸汽系统的要求，合理选择控制阀，将会为用户创造最大的经济价值。
参考文献：
[1] Spirax 蒸汽工程指南
[2] Fisher控制阀手册 第四版
[3] 杨源泉. 阀门设计手册 机械工业出版社
论文作者:盖珺,丛登辉,孙华东
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/6/5
标签：蒸汽论文; 阀门论文; 压力论文; 流速论文; 控制阀论文; 喷嘴论文; 流量论文; 《电力设备》2018年第36期论文;