孔板式調節閥原理及閥門整體設計計算

閆泊韜++楊忠++丁佳偉

摘 要：孔板式系列調節閥門是我公司參照美國Masoneilan公司閥門的先進技術，經過消化、吸收而研制開發的-種新型調節式閥門。其技術已達到國際先進水平，具有較高的技術含量 ，是一種比較先進的調節式閥門。

關鍵詞：孔板式；閥桿；芯包；孔板片；流量

中圖分類號：TH814 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0055-03

孔板式閥門的先進技術，可成功地解決普通控制閥門所遇到的諸如汽蝕、高噪音、震動等問題，目前同樣廣泛運用在電廠鍋爐I、Ⅱ級減溫水、給水泵最小流量閥、鍋爐主給水門以及其他流量控制中。它能提供比較精確的流量控制，按照用戶的不同需要，可設計成不同的流量特性，具有嚴謹的關閉特性，能保證工廠安全、穩定地運行，提高效率并延長維修周期。

孔板式系列調節閥門是專門針對客戶的不同要求而設計的，通過對介質流速的控制而徹底消除了汽蝕、噪音、腐蝕及振動問題，維修方方便，可很便捷地更換閥芯。

孔板式系列調節閥門的閥芯具有長久的使用壽命。當然要得到很好的使用壽命的關鍵在于正確的安裝及在使用中的適當維護。

1 原理

孔板式系列調節閥門的抗汽蝕設計是利用孔板式芯包多級降壓的原理，通過強制介質流經芯包孔板上的許多小孔通道使流速得到完全的控制，達到逐級降壓的目的。無論壓降大小，這些小孔的阻力使得介質流速流出芯包的速度收到限制。經過多級降壓，使介質的壓力始終維持在介質的汽化壓力PV之上，從而避免了氣蝕現象，消除了不安全因素，如圖1所示。

孔板式芯包包括很多孔板片，經過機加工形成許多小孔通道，每個通道能通過定量介質。介質流過小孔時產生很大的阻力，產生壓降。

根據電廠各種機組不同的參數，經過精確的計算，選定不同孔板片數和孔板片上不同的小空數以及小孔的不同直徑，使得流經孔板式芯包的介質壓降達到電廠不同場合的需要。并且能使每一級壓降始終保持在汽化壓力之上，從而達到抗汽蝕的要求。

孔板式系列閥門使用機加工技術制造孔板片，孔板片再用焊接的方法組合為整體芯包（圖2）。

由于每一片孔板片的小孔數及小孔直徑都是根據用戶提供的參數進行設計，而且孔板片的厚度可以設計得很薄，所以芯包就可以根據用戶的特殊要求設計以提供精準的流量控制。根據閥門的應用場合及用戶的要求，調節閥的流量特性曲線可被設計為不同形式，包括線性、等百分比、修正等百分比以及其他特殊曲線。

在電廠中的介質基本上都是流體介質（主要是水），因此孔板式閥門一般采用流開型結構。當采用流開型時，介質首先進人閥體，通過閥座、閥芯，經過芯包、導流罩，最后由閥體流出（圖3）。 閥門流向由標在閥體上的標牌所指示。

2 結構特點

孔板式系列調節閥門由下列幾個主要組件構成：閥體、包括孔板式芯包在內的內件、導流罩、閥蓋組件、閥芯、閥座組件。執行機構用螺牷通過聯接支架固定在閥蓋上。

孔板式系列閥門的所有零件具有快速更換和長壽命特性。閥座不采用螺栓或焊接，拆卸方便。閥蓋的密封形式、內部組件的類型及密封的選擇都符合應用場合及工況條件要求。閥蓋及閥體之間的密封采用金屬纏繞墊，它由多層不銹鋼及石墨制成。膨脹石墨具有很好的密封性能。不銹鋼支撐石墨并提供溫度變化所需的彈力。

2.1 閥芯組件及閥芯密封設計

平衡式閥芯：平衡式閥芯可減少對執行器執行力要求，在閥芯上鉆有對稱孔。在閥芯上部裝有開口向上的平衡密封圈用來隔離出口與入口之間的壓力。在閥芯上的對稱孔平衡了閥芯上下的壓力，使得對提升力要求大大降低。從而可降低執行機構的轉矩，減少執行機構的體積和重量。

在中、低溫工況中，平衡密封圈由填充聚四氟乙烯制成。在高溫工況下，使用石墨材料。

2.2 變阻特性

孔板式系列閥門在小開度的憎況下，由于介質需流經整個芯包，因此能達到高壓降、小流量的要求而不會產生汽蝕。隨著閥門開度的增加，介質流經孔板片的數目逐漸減少，此時阻力也逐步減少，如果閥門開度超過芯包的髙度后，介質就完全從導流罩流過，阻力可以非常小，因此可達到大流量的要求，從而減少給水泵的能量的消耗。

2.3 低噪音特性

孔板式系列調節閥由多個節流孔板片按一定的設計規則相互交錯方式排列疊合而成，介質從節流孔板的下部向上流動，由于多個孔板的分段降壓，防止了汽蝕的發生，另一方面，節流孔板本身就是一個絕好的消音器，因此孔板式調節閥門具有低噪音的特性。

概括孔板式調節閥門有如下特點：

（1）低嘈聲、抗汽蝕、可承受高壓差；

（2）多層孔板片逐級降壓，限制介質流速， 保持介質壓力始終在汽化壓力之上；

（3）變阻特性：介質軸向流動，閥門開度增大，節流阻力降低；

（4）節流孔板交錯排列，無調節死區；

（5）平衡閥芯，可減少執行機構的驅動力矩；

（6）閥芯、閥座采用不同的角度，線接觸密封，關閉性能好；

（7）密封面堆焊硬質合金，耐沖燭性好；

（8）導流罩避免介質對閥體的沖刷；

（9）流量特性：線性、等百分比、用戶要求。

3 用途

孔板式系列閥門可根據用戶的不同要求設計不同的特性曲線。它可提供等百分比、修正等百分比以及用戶特殊需要的特性曲線。運用于電廠的主給水調節閥、旁路閥、再循環閥、減溫水調節閥、鍋爐連續排污閥以及其余高壓差流量調節場合。

當運用于給水調節閥及減溫水調節閥時，在小開度時具有高壓降、小流量的特性，可防止汽蝕的產生，在需要大流量、低壓降的工況下，介質直接從導流罩流過而不經過孔板式芯包。當運用于再循環閥場合時，由于閥門前后壓差極高，因此介質必須從孔板式芯包流過，以達到高壓降的目的。流量特性曲線如圖4。

4 TL967Y（K）- 25/50型孔板式再循環閥門整體設計計算

4.1 具體要求

運用于電廠125MW機組及以下鍋爐給水泵再循環系統，能承受較大壓差。

4.2 技術參數

公稱壓力：25Mpa；

公稱通經：50mm；

進口壓力：-18Mpa；

出口壓力：0.61Mpa；

工作溫度：≤240℃；

流量系數：1020（英制）

工作介質：鍋爐給水；

特性曲線：線性或其它；

執行機構：電動或氣動；

閥門啟閉全行程：56mm；

進、出口連接形式：法蘭連接或對口縫焊接。

4.3 閥門整體結構設計

4.3.1 閥門結構設計

（1）閥門的流道采用直角式（下進上出），見圖5。

（2）閥門本體的進出口管徑為50mm。

（3）閥體采用25號鋼。

4.3.2 閥體壁厚計算

照厚壁容器公式計算如式（1）所示。

（閥門設計手冊P359公式4-4）

S=（KO-1）+C （1）

式中C-附加裕量；

KO-閥體與內徑之比，按式（2）計算。

KO= （2）

閥體采用25號鋼，查表計算得：

KO=1.3代入公式（1）得：

S=24.5mm取閥體壁厚S=30 mm

4.3.3 閥蓋設計

參照平板閥蓋計算公式（閥門設計手冊P391公式4-59）如式（3）所。

δP=DC （3）

通過計算得：

δP≈53.7mm

取閥蓋厚度δP=60mm

4.3.4 閥蓋螺栓設計

受壓直徑Φ130mm，螺栓只數n=8材料選用35CrMo高強度合金鋼作用在每個螺栓上的負荷Pn由閥門設計手冊P379公式4-32如式（4）所示。

Pn= （4）

式中df-受壓面積；

m-墊片系數；

A-通道截面積

得Pn≈82260N

螺栓材料采用35CrMo鋼，其[σ]=220Mpa，由公式（4）≤得出螺栓直徑d≥22mm，選用M242螺栓8只，布置見圖6。

4.3.5 閥桿直徑設計計算

（1）閥桿直徑D假設D=18mm；

（2）環狀密封圈采用膨脹石墨密封圈Φ34Φ188；

其摩擦系數μs=0.15，ds=34mm。

先求電動執行機構所需最大輸出力F=F1+F2

F1為μd不平衡力+μp閥桿部分摩擦力；

F2為完全關閉的執行機構對閥座的壓緊力。

μd=π·ds·L·p·μs=21971N

μp=16001N

F1=μd+μp=37972N

F2=π·dg·bm·p=3847N

∴F=41819N

閥體材料選用1Cr17Ni2

σb=1080 Mpa

ηb=4.25

fc=1080/4.25=254.1 Mpa

d≤=14.5cm<18mm

故閥桿采用直徑18mm設計合理。

4.3.6 調節段和減壓段孔板的設計計算

節流孔板共計12片，即12層；16層為流量調節段，712層為減壓段。

（1）流量公式的建立。

流量公式如式（5）所示。

Q=μ·F·ν=μ·F· （5）

μ=0.60.8（取0.8）；180℃水的γ值≈0.9（現假定常溫水≈1）

計算出Q=0.04032·F· （6）

（2）再循環流量。

根據125MW機組再循環流量一般為120t/h，先求減壓段總面積F值，如式（7）。

Q再=0.04032ΣF× （7）

ΔP=17.4Mpa

計算出ΣF應為224mm2

根據計算出的減壓段總面積，繪制減壓段孔板片圖紙（如圖7）。

校核減壓段總面積F值如式（8）。

（8）

ΣF=269.2mm2滿足要求

（3）調節段流量計算

Q1-12=0.04032ΣF1×=24.7t/h

Q2-12=0.04032ΣF2×=42.9t/h

Q3-12=0.04032ΣF3×=71t/h

Q4-12=0.04032ΣF4×=94.3t/h

Q5-12=0.04032ΣF5×=116t/h

Q6-12=0.04032ΣF6×=131.7t/h

Q7-12=0.04032ΣF7×=144.3t/h

4.3.7 流量系數Cv值的計算

Cv如式（9）所示。

Cv=1.17×Q再×≈13 （9）

4.3.8 電動執行機構操作轉矩計算

操作轉矩計算如式（10）所示。

操作轉矩=ΣF閥桿系數 （10）

Tr3212（P6）LH閥桿系數査表（DZ系列閥門設計手冊P16）得以下數值。

閥桿系數=0.00308；

即操作轉矩=128.8N ·m。

參考文獻

[1]楊源泉.閥門設計手冊[D].機械工業出版社，1992.