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減溫減壓系統中調節閥的工藝要求及選定
發布于：2019/11/1 13:04:46 點擊量：261
作 者： 沈中奇
摘 要： 本文論述減溫減壓系統關鍵設備調節閥應用中的問題，以及分析問題的過程和解決的方法。
1 前言
在減溫減壓系統中，關鍵設備減壓閥前后壓差大，易產生泄漏、噪聲及氣蝕，自動控制也會失效。本文在現場實測數據的基礎上，分析工藝系統對調節閥的要求。并通過工藝參數分析，對廠家計算的分析來確定選用產品。文章最后從我廠系統改造前后的情況對理論分析予以確認。
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中，有一臺關鍵設備為減溫減壓器，該設備將鍋爐生產的蒸汽（在不通過汽輪機發電的情況下）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；該設備自公司生產以來，連續運行了4年多，基本上能滿足公司生產的要求；但在這4年多的運行期內，我們也發現該設備存在一些問題，主要表現在如下幾方面：
（1）減壓閥的泄漏量大，特別是在蒸汽通過汽輪機發電的情況下，在該種條件下，該減壓閥應該是完全關死的，但由于雙座閥本身的結構和產品質量等問題，該閥門在全關位置時仍有較大的蒸汽泄漏量，造成了不必要的能源損耗，并增大了生產成本。
（2）調節范圍小：從雙座閥的調節特性可知，該閥的調節范圍比較小；根據工藝的實際操作情況來看，在鍋爐小負荷運行時（蒸汽產能在10t/h時），該減壓閥無法完成對蒸汽壓力的調節，即在蒸汽流量小于1Ot/h時，無法對蒸汽壓力進行調節。
（3）控制精度低，穩定性差：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行機構，執行機構與閥桿的聯結采用的是杠桿；伺服放大器的型號過于陳舊，平衡和穩定度的調節過于復雜，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工業化處理，故對環境的要求也較高，在高溫和粉塵環境中工作不穩定；執行機構與閥體的聯結設計不合理，多支點的杠桿聯結方式雖然滿足了將角行程電動執行機構輸出力的放大，但由于杠桿各聯結點存在較大的機械縫隙，無法滿足整個控制系統對控制精度及控制穩定性的要求.因此對這兩臺閥的控制精度和控制穩定性均較差，無法滿足自動的要求，自生產開車以來一直處于手動和現場操作狀況，控制精度低。
（4）日常維修量大，工藝操作困難：由于該控制系統上的設備在當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。
為了解決上述設備所存在的問題，更好的滿足工藝安全生產的要求，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進行改造，根據工藝的要求及公司目前的生產狀況，該兩臺閥應滿足如下的工藝生產條件：
a）蒸汽減壓調節閥
工藝管徑：150mm（DN150、PN10）介質：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
配電動執行機構：電源為220VAC/50Hz
輸入信號為：4—20mA
閥位反饋信號為：4—20mA
執行機構上帶手動開/關手柄或手輪
b）減溫水閥
工藝管徑：32mm（DN32、PNIO）
介質：水
溫度：1080C
流量：Qmax 2500kg/h
進口壓力：3.OMPa
出口壓力：0.4MPa
配電動執行機構：電源為220VAC/50Hz
輸入信號為：4～20mA
閥位反饋信號為：4～20mA
執行機構上帶手動開/關手柄或手輪根據以上的工藝條件，我們將調節閥和執行機構分開選型，首先確定執行機構，然后再選調節閥，再由調節閥的供貨商提供成套。
3 電動執行機構的選型
根據工藝運行的需要及工藝人員的要求，此調節閥的執行機構我們決定選用電動執行機構，為此就我們所掌握的資料，經多方比較我們選擇如下三家在全世界范圍內較有名氣的電動執行機構專業生產廠家：日本KOSO、德國auma、英國Rotork。
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經我們了解三家廠的產品基本情況如下：
表1
廠家 | KOSO | auma | Rotoyk |
產品原產地 | 中國鞍山 | 德國 | 英國 |
生產適用范圍 | 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 |
從以上三種產品中，我們選擇了德國的auma電動執行機構，理由如下：
3.1 環境溫度
目前我公司正在用的減溫減壓器附近的環境溫度我們實測為：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行機構處的溫度為560C。根據我們這幾年的使用KOSO的經驗來看，KOSO對環境溫度是小于600C，但在570C左右時，此電動機構即出現工作不正常的情況。因此，KOSO的電動執行機構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，可將適用環境溫度范圍擴展為0-+120oC，而在我們的此處應用中，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用了一個杠桿，將此力放大了6倍（現場杠桿力臂分別為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電動執行機構來說已是上限了，沒有余量，因此只有auma及Rotork可以。
3.3 應用情況
（1）KOSO電動執行機構在我公司電站已有較多的應用，在較低的環境溫度（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電動執行機構我公司的維修人員有對該產品的使用及維修經驗，據維修人員反映，此執行機構在用了十幾年后，均能一直很好的工作，維修量極少，建議我們也用此電動執行機構。
（3）Rotork執行機構在我們的兄弟單位有應用，該廠的電站有幾臺調節閥也是用的Rotork的電動執行機構，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公司的電動執行機構。
4 調節閥的工藝要求及選型
由于調節閥的選型，涉及到的因素較多，考慮的因素也很復雜，涉及到多個專業，不是此方面的專業廠家，有此因素怕考慮不到，而且此設備對我們來說即關鍵又投資高，因此在選擇供貨商時，我們約定了如下原則：
直接同生產廠家或該廠家的辦事處聯系，此點主要是從技術支持上考慮。
必須是世界上有名的且在此方面有較優良的生產及服務業績的大生產廠家，此點主要從產品質量和信譽上考慮。
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，又經過多次聯系，反復核實有關的技術及工藝參數，均做出了選型，且有三家均在選型中提供了調節閥選型計算書（均按我方要求，配auma電動頭，并調試好、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內鍵的TOP5系列）。
單座調節閥即為globe閥，從該閥的結構上可知為不平力衡閥，一般介質流向為下進上出（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流量的，因而配該閥的執行機構為上下行程的直行程機構；而NELES的TOP5系列調節閥為球閥結構，閥芯通過0—90度的開關角度來控制介質的流量，因而配該閥的執行機構為0—90度的角行程程機構。
下面就此三家廠家所報的兩種閥型比較如下：
4.1 調節閥在工作時對執行機構出力的要求
單座閥由于本身設計原理和結構上的原因，在大差壓的情況會產生巨大的不平衡力，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。由于電動執行機構出力要有大于此不平衡力才能關閉此閥，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。由于要求電機產生的推力大，因而電機功率也要大，對電動執行機構的要求也高，因而價格也較貴，此點Samson和Fisher的報價均有體現。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，經他們計算，認為只需80N.M的扭力即可，這樣電動執行機構輸出的力就小得多：電動頭的價格要低，整體價格自然也就有競爭力了。
4.2 調節閥噪聲與汽蝕
在調節閥的選型中，另一個重要的要考慮的問題是噪聲及汽蝕。特別是介質為高溫高壓的蒸汽。就調節閥來說，前后差壓愈大，介質流速就愈大；流速愈大，則產生的噪音就愈大；噪聲愈大，對閥芯和閥內件的破壞也愈大。噪聲生產后，不僅嚴重傷害閥芯和閥內件，在嚴重的情況下，還能對閥的下游工藝管道引起共振，嚴重影響工藝的正常生產；另外噪聲對工人的工作環境也產生極大的危害，依據國家《工業企業噪聲衛生標準》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，伴隨著噪聲的產生，還會有氣蝕、閃蒸等一系列問題伴隨出現，這些情況的出現，將嚴重影響調節閥的工作質量及穩定性，更會大大地縮短此閥的使用壽命。
具體就我們所選的調節閥中，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，經計算此類閥產生的噪聲可達l13 dBA，其中Fisher閥可選減噪聲的附件，最多可減去一17 dBA，這樣該閥所產生的噪聲應在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系列的調節閥閥內件采用了很好的降噪及消除汽蝕內件，即Q—Trim降噪件（Neles的專利），該Q—Trim 內件的結構如下（圖1）：
從該結構圖中，我們可以了解到，該閥的球芯上已做成了多孔多級的網狀結構，該結構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：同時該結構與通常所說的球閥已有本質的區別，除繼承了球閥的基本特點：如緊密的關閉，全通經高流量，內阻小等外，還有如下新的特點：如低噪聲，高調節比，調節穩定和調節范圍內無工作死區和遲滯帶等；由于具有這些特點，因而提高了該閥的調節特性，如我們在后面要提到的良好的等百分比調節特性。
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在采用了具有降噪功能的Q—Trim內件外，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構如圖2）。此外，對其他更苛刻的工藝條件的降噪，該閥還可在Q—Trim內件和噪音衰減板（attenuator plate）之間再加一個降噪器（dif-fuser），具體結構如圖3所示；這樣在一臺閥上可實現三級降噪；因此從該閥的結構上看，已具備了非常好的降噪的特點。、
根據我們的工藝條件，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，此閥所產生的噪聲最大為91.85dBA，而且根據我們的工藝指標，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。根據我公司的生產狀況，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標準。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。
4.3 調節特性
三家公司均對所選型號的調節閥的調節特性均做了說明，即等百分比調節，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所對應的調節點進行r計算，分別對應：59.67% 、49.02% 、16.38% 開度。即在等百分比調節特性曲線中的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，調節特性是最為理想的。
5 結論
通過對此三家調節閥生產廠家的產品分析和比較和應用調查，結合我公司工藝生產情況，我們認為在我廠減溫減壓器的改造中，選用Neles公司的產品是可行的，在各項技術指標中也能完全滿意我們工藝及技術的要求。
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6 改造后的工藝狀況
經過充分的準備和安排，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上，我們還對閥的控制系統進行了改造，去掉了伺服控制系統，改在控制室內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，可實現手/自動切換，手動時由手操器上進行操作，自動時由DCS系統來執行控制，同時在該閥的現場，該auma執行機構上還有手動搖輪，可實現在現場進行人工調節；這樣在控制上更可靠，工藝操作更靈活。
經過上述的改造，在隨后的生產中，該減溫減壓器在運行中表現出了良好的工況，具體表現在如下幾個方面：
（1）在使用汽輪機發電的情況下，該蒸汽調節閥關閉時，能完全關死，沒有泄漏現象，減少了能量損失，降低了生產成本。
（2）調節特性有了明顯的改善，改造前在10t/h蒸汽流量的情況下，減壓調節閥沒有調壓能力，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，更好地滿足了生產的需求。
（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，完全達到了當時我們選型要求達到的降噪目標，而且還稍稍有點超出。
（4）控制特性有了極大的提高，由于auma電動執行機構本身即帶有4—20mA的閥位反饋輸出，且傳力為緊湊的齒輪結構，又加上我們將自動控制改由DCS系統來執行，因此大大的提高了控制精度，同時控制的可靠性和穩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以來就遺留下來的生產難題。
（5）改造后，維修量極大地減少；到目前為止系統已穩定可靠的運行了2年多，還沒有對該系統及執行機構進行過任何維修，作為工藝對改造后的結果非常滿意。
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