锅炉给水系统控制阀的选型

控制阀是组成工业自动化控制系统中的一个重要环节，它被称之为生产过程自动化的“手足”，是控制系统的最终元件。正确选择控制阀是确保系统稳定、正常运行的关键。

　　控制阀选型内容
　　控制阀的选型内容通常包括以下几个方面：
　　控制阀结构形式及材质选择：控制阀有单座阀、双座阀、波纹管密封阀、阀体分离阀、套筒阀、低噪音阀、角形阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀、偏心旋转阀等类产品，材质有铸铁、碳钢、各种不锈钢、铜、铝、钛、青铜、哈氏合金、蒙耐尔合金等等，用户主要根据阀门受控介质的温度、压力、腐蚀性以及是否产生气蚀、冲蚀等因素选择材质，这包括阀体、阀盖、阀芯、阀杆、阀座、垫片、密封填料等材质的选择。
　　控制阀流量特性选择：控制阀流量特性是指相对行程与相对流量的关系，通常有线性流量特性、等百分比流量特性、快开流量特性、抛物线流量特性等等，需根据工艺对象的特点选择。
　　控制阀口径计算：根据工艺过程条件计算出控制阀的流量系数C，然后根据对应结构形式控制阀的流量系数C值表选择口径。
　　控制阀执行机构选择：控制阀执行机构有气动、液动、电动三种。气动执行机构可用于防火防爆场合，故障率低，但需建独立的仪表气源 

；液动执行机构可用于推力或力矩特别大的地方，运行平稳，但体积大，价格昂贵，用量很少；电动执行机构的驱动源随地可取，隔爆型产品可用于防火防爆场合，其可靠性近年来大幅度提高，目前已成为执行机构的主流产品。
　　控制阀不平衡力校核：不平衡力校核是保证控制阀正常工作不可缺少的一步，其实质是校核执行机构的输出力是否大于介质的不平衡力、阀门动作时的摩擦力、阀芯的重力等力的总和（当然，校核时输出力还要有一定的余量）。
　　为了简化计算，阀门生产厂根据工作条件对常用阀门计算出允许压差，列成表格附在选型样本上，这样不平衡力校核就转换成允许压差校核。校核有两种方式，一是根据所选执行机构的输出力看允许压差值是否合乎要求，二是根据允许压差值选定合适输出力的执行机构。当校核未能通过时，可能要从阀门结构形式选择开始重新选型。
　　在一些控制阀的选型计算资料中往往着重介绍口径计算等内容，对不平衡力校核则只字不提，因此有些设计人员常常只进行前四项工作而忽略了后一项工作，在大多数流体压力不高的情况下，不作该项校核也不影响控制阀的正常工作。但对锅炉给水这类可能涉及中高压的生产过程来说，不作校核就可能造成给水阀门关不死，从而影响阀门的运行。更为严重的是，由于头脑中没有允许压差这个概念，当这个问题出现时人们往往弄不清楚原因，就把责任推到控制阀制造厂，认为是产品的质量问题，导致故障长期得不到解决。
　　本文将首先介绍控制阀最大允许差压值，然后通过几个现场运行实例分析与此有关的失误，总结今后控制阀选型应注意的问题。

　　控制阀最大允许差压值
　　以四川仪表11 厂“控制阀及辅助装置选型样本”中的数据为例，在表1中列出工业锅炉常用给水控制阀的最大允许差压值。

　　表1    几种控制阀最大允许差压值（MPa）

　　附注:  1.Ⅰ-表示AA、BA、CB套筒、阀塞组合
    Ⅱ-表示DC、CC、DD、CD套筒、阀塞组合
         2. 表中KHTS、KHSC为引进日本山武公司的产品。
　　分析表1，可得到以下几个结论：
　　阀门的最大允许差压值与阀门的结构形式、口径、执行器动力（电动、气动）、执行器的推力有关。
　　单座控制阀的最大允许差压值低，通常不一定能满足工业锅炉给水调节系统的要求。双座控制阀的情况则大有改观，通常可以满足工业锅炉给水调节系统的要求。电动套筒控制阀的情况则与我们想象的有差距，两类套筒与阀塞的组合最大允许差压值差别非常大，Ⅱ类套筒与阀塞组合的电动套筒控制阀最大允许差压值很低，甚至低于普通的单座控制阀，Ⅰ类套筒与阀塞组合的电动套筒控制阀最大允许差压值很高，比对应的双座控制阀还要高，设计选用时一定要注意。所以对工业锅炉给水调节系统来说，应尽量选用双座控制阀或Ⅰ类套筒与阀塞组合的套筒控制阀。
　　气动控制阀因膜头限制，最大允许差压值低于同口径的电动控制阀。
　　当选用同一执行器时，由于其推力是一个固定值，所以随口径增大而不平衡力等加大，最大允许差压值反向减少。
　　电动控制阀中，最大允许差压值除取决于阀门的结构形式（单座、双座、套筒Ⅰ类、套筒Ⅱ类）外，还取决于执行机构的型号和推力。如KHTS 型电动单座控制阀的执行机构有国产DKZ、中日合资361 LSA、德国哈特曼·布朗公司RS 三种选择，而每个制造厂的执行机构又有多种不同推力的选择。当生产过程最大允许差压值稍低于表1的某一允许值时，除改选另一种结构形式的阀门外，还有一种选择是尝试选用推力较大的执行机构。
　　同类结构同一口径的控制阀门，选用推力相同的执行机构，但如果制造厂不同，最大允许差压值也有差别，验算时可查阅有关制造厂的样本。

　　选型失误的例子
　　第一例：某厂20 t/h 工业锅炉给水控制阀选用KHTS 型电动单座阀，配用执行机构为361LSA-20 ，使用过程中发生小的泄漏，经查产品使用说明书，知道其最大允许差压值为1.49 MPa，低于锅炉正常工作时的最大差压值2.0MPa，后改用361LSA-50电动执行机构，最大差压值达到3.38MPa（见表1），满足了锅炉正常工作时的使用要求。
　　此例说明通过改用大推力的电动执行机构，有可能使控制阀的最大允许差压值达到使用要求。
　　第二例：某厂35 t/h 工业锅炉过热蒸汽温度远程手动控制设计选用ZAP-6.4、Dg50 的电动单座控制阀，现场运行时阀门关不死，查看原设计图纸，发现该控制阀未作任何计算（包括流通能力计算等），而设计者对此的解释是手动遥控阀没有必要计算。后查产品说明书，发现该电动单座控制阀的推力虽然达到6.4 kN，但最大允许差压值仅为1.4MPa，低于锅炉正常工作时的最大差压值（给水泵压力6.0MPa，锅炉汽包 

压力3.9 MPa，△P≈2.1MPa），由此造成阀门泄漏量大。后用工艺专业原给水球阀配电动角行程执行器，这一问题才得到解决。此例说明即使是手动控制阀，在设计选型时也应进行最大允许差压值验算。
　　第三例：笔者去某炭素厂煅烧窑废热锅炉参观时，发现锅炉汽包水位调节回路未投自动，询问原因时，现场技术人员告诉我电动控制阀存在关不死的问题。我们到控制阀现场看，这是一台ZAP 6.4、Dg50的电动单座控制阀，电动执行器的推力为2.5kN。我与现场技术人员共同分析，发现问题可能出在电动单座控制阀的最大允许差压值达不到使用要求（该现场给水泵出口压力4.0MPa，汽包工作压力2.5MPa）这个问题上。后找到控制阀的产品样本，对应Dg50 的电动单座控制阀，执行器可选0.4、2.5kN 两档推力，其最大允许差压值分别为0.15MPa和0.94MPa，虽然设计者选用了推力较大的2.5kN 电动执行器，但其最大允许差压值0.94MPa仍低于正常工作时的最大差压值（给水泵出口压力4.0MPa-汽包工作压力2.5MPa =1.5 MPa）。现该厂已将电动单座控制阀改为电动双座控制阀。双座控制阀的最大允许差压值提高到11.9MPa，这大大高于给水系统可能出现的最大差压。这个例子说明在自动控制回路的控制阀选型时，必须进行最大允许差压值验算，以保证阀门正常工作。
　　第四例：某煤矿煤矸石发电厂的35 t/h锅炉给水系统自动控制阀设计选用ZKZP 6.4、Dg65 的电动单座阀，在锅炉投产初期的升温期间发现给水控制阀关不死，泄漏量很大，正常运行时稍好。起初大家怀疑是产品质量有问题，后仔细查看使用说明书，这才发现该型号控制阀的最大允许差压值仅为1.83MPa，虽然与正常工作时控制阀的前后差压（约2.1MPa）相差不大，此时稍有泄漏，但还可忍受。而在锅炉升温阶段，控制阀的前后差压非常大（因汽包压力为0，故最大差压值可能达到6.0MPa），所以出现上述问题。临时解决办法是在锅炉升温阶段关闭控制阀前后手动闸门，用工艺专业的手动旁路阀控制给水流量。但从长远来看，仍需要更换阀门。此例说明作最大允许差压值验算时，不仅仅要考虑正常工作状态下的最大允许差压值，也要考虑非正常工作状态下的最大允许差压值。
　　综上所述，在给水调节系统控制阀选型时作最大允许差压值验算，虽然只是个小问题，但忽略了就有可能造成大的损失，因而在中高压差条件下控制阀选型时应对这类问题予以足够的重视。