自力式調節閥的選擇及應用

姜紀財 JIANG Ji-cai

（杭州佳能閥門有限公司，富陽 311400）

0 引言

自力式調節閥又稱自力式控制閥，通過將管道閥體內流體介質的壓力、流量等屬性作為驅動閥門的動力源，完成自動控制閥門操作。自力式調節閥主要用來平衡穩定閥體前后壓力、溫度、流量，相比于外接動力電源的調節閥，重點是控制介質穩定平衡而不是調節。自力式調節閥由于結構簡單，操作簡易，維護檢修作業量較少，尤其是不需要輔助外置電源的特點，被廣泛應用于石油、供暖、供氣等沒有供電且又需要進行控制的場所。

1 自力式調節閥分類

自力式調節閥按照執行機構分為活塞式和薄膜式；根據閥座的形式，可以劃分為三種類型，即是單、雙、套筒式；根據控制參數分類能將其分為四類：一是控制管網中某分支流量；二是控制某部分壓差；三是控制接交換設備的出口溫度；四是控制供暖系統的溫度。按照作用方式可以分直接作用方式和間接作用方式，直接作用式調節閥通過彈簧彈力與反饋信號平衡的原理完成調節閥的自動調節；間接作用式調節閥則新增了一個先導閥裝置，該裝置通過將放大后的反饋信號作用于執行機構，由執行機構驅動主閥閥桿，由閥桿帶動閥芯，從而達到調整閥門開合程度的目的，進而實現平衡調整管道參數的作用；從用途分區進行分析，自力式調節閥門又可以劃分為溫度、壓力與流量控制閥，壓力調節閥的反饋信號是調節閥的前端或后端壓力，當壓力信號通過信號管傳入執行機構完成開關調節操作。如果是流量調節閥，一般在閥門出口設置一個阻力裝置，通常阻力裝置為一個孔板，孔板兩端的壓差信號經過采集后傳入到執行機構，然后由執行機構完成流量調節。溫度調節閥則是在閥門出口設置溫度傳感裝置或者溫包，通過溫度傳感器內介質熱脹冷縮的變化來驅動執行機構。具體分類見表1。

表1 自力式調節閥分類表

2 自力式調節閥工作原理及特點

2.1 自力式調節閥的工作原理

2.1.1 自力式壓力調節閥工作原理

自力式壓力調節閥按照取壓點位置可分為閥前與閥后兩類，結合生產需要，需要調節閥前壓力恒定的則將取壓點設置在閥前，設置在閥后的則是為了調節閥后壓力恒定。對于蒸汽等高溫介質，為更好保護執行結構的膜片，避免膜片因高溫受損，一般會采用冷凝器來降低介質溫度，提高設備使用壽命。以閥后取壓點為例（見圖1），當管道流體介質流經調節閥閥座后，由設置在閥后的引壓管將閥后壓力傳輸到執行機構的上腔室內，閥后壓力作用于腔體內的托盤上，與支撐托盤的彈簧形成作用力與反作用力，通過這兩組力的相互作用，實現閥后壓力的調節，即當閥后壓力大于彈簧壓力時，彈簧會帶動執行機構推動閥芯向閥座的位置，由于閥芯與閥座之間流通面積的減小，流體介質經過閥后壓力降低，又促使腔內作用于托盤的壓力降低，彈簧反作用力加強，直至閥后壓力與彈簧反作用力達到一個平衡狀態，從而維持了閥后壓力的恒定。相反，當閥后壓力減少時，彈簧的彈力會將閥芯與閥座之間的流通面積變大，進而提高閥后壓力，進一步提升腔內壓力，抑制彈簧作用力增大，實現自力式壓力調節的功能。除了取壓點的不同外，取壓方式也分為閥門本體取壓和管道取壓兩種方式，具體方式選用要結合現場實際確定。

圖1 自力式壓力調節閥示意圖

2.1.2 自力式溫度調節閥的工作原理

自力式溫度調節閥的工作原理主要是利用溫包內液體的熱脹冷縮原理來實現調節閥的自我控制，當流體介質溫度升高時，溫包內的工作液體體積將急速膨脹，進而帶動容器內的壓力增大，壓力推動波紋管向上移動，波紋管推動閥芯接近閥座，閥門關小迫使介質溫度趨向預設值，閥芯維持一個新的平衡，閥芯移動的比例大小與被測溫度有著密切的關系，這就產生了一定的比例調節特性。自力式調節閥還可以根據溫度升高后閥門的啟閉情況，分為溫度升高閥開啟和溫度升高閥關閉兩種形式，前者為K 型，通常多用于溫度冷卻調節，后者為B 型，常用于溫度加熱調節。

2.1.3 自力式流量調節閥的工作原理

自力式流量調節閥又稱恒流量調節閥或流量限制器，它具有調節流量恒定的功能，通過壓差控制裝置和流量調節裝置整合而成的調節閥。工作原理為：通過采取壓差控制裝置對前后調節閥進行控制，當前后的壓力差超過恒流啟動標準以后，閥門通過的流量將不再隨閥門前后壓差而發生改變，在壓差控制器的調節范圍內，閥門內某一閥芯開度的介質流量將自動保持恒定不變的狀態，而流量的變化通過調整閥芯的開度即可完成，無需關注閥門前后的壓力大小。該類型閥門常用于城市集中供暖以及中央空調的循環水系統中。

2.2 自力式調節閥的特點

自力式調節閥特點如下：一是設備價格低廉，運行成本較低，結構簡單，操作安裝簡便。設備驅動不需要外部電源供給等輔助能源，僅依靠管道輸送的介質的壓力、溫度、流量等屬性即可完成管道的控制調節，適應范圍廣泛，若采用其他方式進行管網調節，不僅需要電源或壓縮空氣作為動力驅動，同時管網結構將更加復雜，且給后期運行帶來不便，維護成本也將大大增加，同時安全可靠性也無法保障。

二是自力式調節閥運行穩定可靠，自力式調節閥通過各種控制要素如信號收集、擴大、傳輸、控制、實施融為一體，通過利用流體力學和氣動原理，利用簡單的結構裝置完成整個的閥門調節控制過程，并且穩定可靠。以調節閥控制管道內介質溫度為例，自力式溫度調節閥直接把介質的熱能轉換成機械能，再將機械能處理放大后作用在控制主閥上，跟先將熱能轉換成電能、再轉化成機械能相比減少了能量轉化環節，同時也省去了電控儀表裝置和二次能源的安裝。又如壓力控制，自力式壓力調節閥僅依靠壓力變化信號便能對壓力進行控制，而其它方法則需通過多個形式能量轉換或多級操作才能實現控制要求。三是自力式調節閥結構簡單，密封性好，閥門結構中的信號感應、傳動部件與主閥相互獨立密封，不會像其他控制設備一樣出現因內部零件磨損、偏移而出現的滴、冒、漏現象。

3 自力式調節閥選擇要點及注意事項

3.1 自力式調節閥的選擇要點

在管道的自動控制系統中，自力式調節閥既是節流元件，同時還承受著管道介質一定壓力與溫度的容器，因此在選擇自力式調節閥時不僅要考慮其是否工藝需求，還要保證其安全與穩定性。

3.1.1 一般選擇原則

在進行自力式調節閥選擇時，需結合輸送介質的屬性特性、溫度、壓力及工藝要求的特點，按照以下原則：調節閥的結構形式需滿足介質溫度、壓力、腐蝕性、流動性、密封性以及控制范圍等要求；調節閥材料需滿足介質溫度、壓力、腐蝕性要求；調節閥的額定流量系數與管徑需滿足生產工藝的流量需求；調節閥的允許壓差與實際現場壓差要相符；調節閥的現場使用條件要與計算設計時的設定一致。

3.1.2 自力式調節閥材料與工作溫度的選擇

在挑選調節閥時要考慮材料硬度、耐腐蝕、耐高溫及耐低溫的特性，在確保調節閥安全穩定的前提下，進一步考慮調節閥的產品性能、使用壽命及經濟成本。在滿足需要的前提下，應盡量選擇性價比高的材料。通常情況下，調節閥的閥體與閥蓋大多采用鑄鋼、不銹鋼等材質，而閥內組件通常采用耐腐蝕性能優的不銹鋼材料制造。

3.1.3 自力式調節閥公稱壓力及壓差的選擇

在調節閥公稱壓力選擇時，需要根據設計要求最大壓力進行確定，同時對工藝的溫度條件進行分析。通常情況下處于特定溫度環境下，公稱壓力是依照強度條件來確定，如果工作溫度超過基準溫度，允許的最大工作壓力必定低于調節閥公稱壓力，因此在選擇調節閥公稱壓力時，必須對照工藝溫度條件進行綜合考慮。在選用調節閥時，除了考慮公稱壓力以外，還要從執行部件推力的角度，認真分析調節閥是否可以正常工作，即最大工作壓差是否在調節閥的允許壓差范圍內，否則調節閥將存在安全隱患。

3.1.4 自力式調節閥的流量系數

調節閥的一個重要參數叫做流量系數，又稱流通能力，指的是流體通過調節閥的能力，反映了調節閥的容量。通過流量系數來確定調節閥的額定流量系數，進而確定調節閥的公稱通徑。一旦選擇的調節閥額定流量系數過大，那么調節閥將長期處于閥芯小開度的工作狀態，會對調節閥的控制精度造成影響，導致閥門出現振蕩和噪音，影響到調節閥的使用壽命。同理，當選擇的調節閥額定流量系數過小時，閥體開度則會過大，調節閥超負荷的運行不僅無法滿足工藝流量要求，還極有可能發生事故，造成不必要的經濟損失。因此在選擇調節閥時，需要準確計算所需的流量系數值。

3.2 自力式調節閥選擇時的注意事項

自力式調節閥的選擇受實際工況條件與理論計算不一致影響，以及環境因素差異變動的影響等客觀及不可預見因素的影響，往往造成理論計算數據與實際選擇的自力式調節閥無法滿足現場實際需求，例如選擇的調節閥口徑與管道不一致、材料與公稱壓力不相符等情況，不僅容易造成浪費同時還非常容易引起安全事故。因此在自力式調節閥選擇時需重點注意以下事項：自力式調節閥多應在被控參數恒定的工況場合，且設定的被控參數需在調節閥的調整范圍內并有一定余量，而對于被控參數需經常調整的場合，多應用氣動或電動調節閥；自力式溫度調節閥不適用于溫度變化速度較大的場合，當液體介質溫度超過140℃時，自力式壓力調節閥采用倒裝，引壓管線需安裝隔離罐，以防調節閥膜片受高溫老化，安裝隔離罐時要求其位置需高于調節閥執行機構，低于閥前后的接管，當液體介質溫度超過200℃時，還需在控制閥與執行機構之間加裝散熱片；當介質為非潔凈流體時，需在閥前安裝過濾器防止雜質或介質堵塞閥門；低粘度液體或氣體通常自力式壓力調節閥通常直立安裝，高年度液體或蒸汽則采用倒立式安裝方式，蒸汽介質的調節閥需安裝冷凝器，安裝位置應低于閥前后接管高于執行機構，冷凝器使用前應裝滿冷水，并定期補充冷凝器水量。

4 自力式調節閥的應用

自力式調節閥在原油開采與運輸中應用極為廣泛，由于油田多為野外作業，原油從油田被抽出后需要進行集中處理，由于處理的原油分布廣且多為人煙稀少的荒野；在原油生產中，由于油氣水產量的波動較大，人工調節又無法保證，這就需要通過自力式調節閥進行自動控制。自力式調節閥可以有效解決油田站點分散，信號傳輸距離遠無法實現自動化控制，同時外置動力源配置成本高，工程造價高的問題。

另外在斜板除油器橇塊中也用到了自力式調節閥。通過兩個調節閥來控制罐體內的進出口壓力，在入口的減壓閥可以確保罐體入口壓力保持在一定的范圍內，出口的泄壓閥又能保證罐體內壓力不超過設定值，入口的減壓閥與出口的泄壓閥配合使用，能夠保證罐體內壓力保持在一定范圍內，從而使罐內介質保持基本穩定狀態。

自力式調節閥在船舶主燃汽輪機供油系統也得到廣泛應用，當船舶速度在發生驟然變化的過程中，燃機進油口的壓力信號將作為調節閥開度變化的重要參考量，從而確保燃機進油口的穩定壓力。燃機進油口的壓力會隨著船舶速度的驟變而發生改變，安裝在管路旁通的燃油壓力調節閥便開始對進油口壓力進行調整。當進油口的壓力低于調節閥設定值時，調節閥會自動提高燃機進油口的壓力值。當燃機進油口的壓力高于調節閥的設定值時，調節閥又可以降低燃機進油口壓力。整個過程通過利用進油口壓力與彈簧彈力的平衡，調整調節閥閥芯的位置來達到調節壓力平衡的穩定，確保燃機進油口壓力值在設定范圍內。

在分戶計量供暖系統中，由于各分支用戶根據生活需要自主調節地暖水流量大小，為避免對其他用戶造成影響同時消缺外網富余的水流壓力，通常會在供暖回水段安裝自力式壓差控制閥，具體安裝位置見圖2，當網路的供水、回水壓差P1-P3 增大，閥芯下移，使得P2-P3增大，保持P1-P2 恒定；相反，當P1-P3 減小時，閥芯上移，P2-P3 減小，使P1-P2 保持不變。若P1-P3 不變，如圖2 所示，隨著某一支路閉合，則環路的總阻力增大，在這個瞬間，P2 減小，P1-P2 增大；隨著感壓膜平衡狀態消失，閥芯下移，壓差控制閥的阻力增大，從而使P2 又回升到原來的大小，即P1-P2 不變。綜上，不管是出現網路壓力波動，還是分支管路的阻力變化，自力式壓差控制閥都能保持管路的壓差恒定，即供暖系統不會受到單獨個體的調節而影響到其他用戶的正常使用。

圖2 安裝示意圖

5 小結

自力式調節閥以其結構簡單，工作穩定，無需外置電源等特點，在生產生活中得到了廣泛應用。進行自力式調節閥的合理選型，對于提高系統過程控制及產品質量非常重要。隨著對自力式調節閥的研發與改進的深入，其產品質量及控制精度將會進一步地提高，其控制效果和可靠性將進一步優化提升。在提升自力式調節閥的產品性能的同時，設備運維管理部門也應做好設備的日常監測管理，做好密封圈、彈簧等易損件的檢查、更換，同時要做好維護人員的專業知識培訓，掌握自力式調節閥產品的工作原理與結構特點，以便能及時發現問題進行修復處理，從而保證自力式調節閥的正常運行。