在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，調(diào)節(jié)閥是一種用于控制系統(tǒng)改變管道中流體流量的裝置。它是管道系統(tǒng)中的終端控制元件，在分配流體介質(zhì)和調(diào)節(jié)流體流量方面發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進步，實際生產(chǎn)中的高溫、高壓等特殊條件也對調(diào)節(jié)閥提出了更高的要求。特別是對于高壓差場合的調(diào)節(jié)閥，由于流量高，內(nèi)部節(jié)流部件經(jīng)常發(fā)生沖刷腐蝕，并伴有空化引起的汽蝕、噪聲和振動，給安全生產(chǎn)帶來重大隱患。因此，國內(nèi)外一些制造商開發(fā)了專門用于高壓差條件下的多級降壓結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥。

本文分別介紹了各種常見多級降壓調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點。根據(jù)可壓縮條件，如何根據(jù)實際流量計算調(diào)節(jié)閥CV總結(jié)了常用的值方法。為用戶了解多級降壓調(diào)節(jié)閥的特點，合理選擇提供參考。

二、多級降壓調(diào)節(jié)閥的常見類型和特點

調(diào)節(jié)閥中的汽蝕空化的根本原因是閥門前后的壓差過高。一般認為，當Δp＞2.5MPa當流體介質(zhì)進入閥內(nèi)節(jié)流部分時，壓力突然下降，通流截面面積最小壓力降至最低。當壓力低于當前溫度下流體的飽和蒸汽壓時，部分液體會蒸發(fā)，形成大量的小氣泡。當流體通過節(jié)流口的壓力升高時，這些氣泡會破裂并返回液體，對閥體、閥芯等部件產(chǎn)生沖擊，造成噪聲、振動等危害。近年來，國內(nèi)外一些調(diào)節(jié)閥制造商開發(fā)了各種不同類型的耐腐蝕多級降壓調(diào)節(jié)閥。常見的多級降壓調(diào)節(jié)閥分為三類。雖然結(jié)構(gòu)不同，但具有共同的工作原理。通過改變結(jié)構(gòu)，對總壓差進行分段和多級降壓，使各級壓降Δp1小于空化的臨界壓差，有效避免了汽蝕等危害。

1.串級調(diào)節(jié)閥

串級多級降壓結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)將原有的整體節(jié)流區(qū)域與多個單獨的節(jié)流區(qū)域串聯(lián)，使較大的壓差轉(zhuǎn)化為多個較小的壓差，使每個降壓范圍控制在飽和蒸汽壓以上，使空化現(xiàn)象不再發(fā)生。

圖1 串級調(diào)節(jié)閥

液體介質(zhì)多用于串級調(diào)節(jié)閥，其特點是：

1)在啟閉過程中可以降低連續(xù)壓差，每個節(jié)流口的動作滯后于上一個節(jié)流口，可以逐步降低啟閉過程中作用于閥口的連續(xù)高壓，分擔一級節(jié)流口的壓力。

2)流阻小，能勝任流體清潔度低甚至固液兩相流的場合。

3)串級閥芯一般采用碳化鎢噴涂硬化處理，具有良好的耐腐蝕性。

4)與其他多級降壓調(diào)節(jié)閥相比，制造工藝簡單，加工方便，制造成本低。

5)串級調(diào)節(jié)閥一般降壓等級有限，多為3~4級，不能用于壓差過高的場合。

♂

2.多層套筒式調(diào)節(jié)閥

多層套筒多級降壓結(jié)構(gòu)如圖2所示，常用于電站或化工等行業(yè)。

圖2

多層套筒式調(diào)節(jié)閥典型結(jié)構(gòu)特征是閥芯部分節(jié)流件由數(shù)層加工有小孔的套筒構(gòu)成，每層套筒之間都留有一定的間隙，使流體流經(jīng)套筒時得以緩沖，從而將流體速度控制在一定范圍內(nèi)。

其特點是：

1)多級套筒調(diào)節(jié)閥的降壓等級可設(shè)計較大，降壓能力強于串級，能勝任高壓差。

2)多層套筒結(jié)構(gòu)既能滿足較高的壓降要求，又能保證工作時流量大。

3）良好的耐腐蝕性。當用于液體介質(zhì)時，流體從最外層套筒流向最內(nèi)層。液體介質(zhì)在套筒中逐步降低壓力，以減少空化的發(fā)生。流體最終從內(nèi)套筒上的小孔噴射到中心閥腔區(qū)域，使氣泡在套筒中心破裂，不直接損壞閥門金屬表面。

4）具有良好的抗噪聲和振動性能。當用于氣體介質(zhì)時，套筒內(nèi)外流動。與內(nèi)部相比，外套筒的孔徑和間隙擴大，使氣體介質(zhì)在逐步降壓過程中不斷膨脹，可有效降低噪聲和振動造成的危害。

5)套筒加工工藝復(fù)雜，成本高。但安裝維護簡單，易于更換。

3.迷宮式調(diào)節(jié)閥

如圖3所示，迷宮盤式多級降壓結(jié)構(gòu)的核心節(jié)流部分由多個帶有迷宮槽的金屬盤疊加而成。流體通過迷宮流道多次碰撞轉(zhuǎn)彎，消耗能量，同時逐步降壓，控制流量。

圖3 迷宮調(diào)節(jié)閥

一般多用于核能、電站等行業(yè)中高溫高壓降的特殊場合，工作介質(zhì)多為過熱蒸汽，也能用于液體介質(zhì)。其特點如下。

1)迷宮流道的轉(zhuǎn)彎級數(shù)為迷宮調(diào)節(jié)閥的降壓級數(shù)，一般可達十至二十級以上。因此，迷宮多級降壓結(jié)構(gòu)是常見多級降壓調(diào)節(jié)閥中降壓能力最強的，國外產(chǎn)品最高可達40級MPa。

2)多級轉(zhuǎn)彎迷宮流道具有優(yōu)異的耐腐蝕性和消聲減振性能，能有效控制流體流速，避免空化、噪聲、振動等不良現(xiàn)象。

3)迷宮調(diào)節(jié)閥通過使用不同形式的迷宮盤進行組合，可以流量特性的調(diào)節(jié)曲線。

4)迷宮盤制造精度要求高，一般由司太立合金堆焊，使用壽命長；安裝維護簡單，易于更換。

5)迷宮流道對流體介質(zhì)的清潔度要求較高，否則迷宮流道容易堵塞。

♂

三、多級降壓調(diào)節(jié)閥CV值的計算

流量系數(shù)（C_V）一般用于表示閥門的循環(huán)能力。為了選擇合適的調(diào)節(jié)閥，必須根據(jù)使用條件計算必要的C_V值，然后根據(jù)額定流量系數(shù)選擇合適的調(diào)節(jié)閥型號。在可壓縮條件下，與不可壓縮相比，流體在節(jié)流過程中的壓力降低、體積膨脹和密度降低要復(fù)雜得多。因此，對于一般用于可壓縮條件降壓調(diào)節(jié)閥，其流量系數(shù)的計算方法也相對特殊，典型的可壓縮條件C_V壓縮系數(shù)法和膨脹系數(shù)法主要用于計算值。

1.壓縮系數(shù)法

20世紀50年代，蘇聯(lián)提出了壓縮系數(shù)法，是計算壓縮條件下流量系數(shù)的早期公式之一。考慮到氣體的壓縮性，在一般液體計算公式中添加氣體壓縮系數(shù)ε，校正液體計算公式。該方法大大簡化了計算模型，將不同形式的調(diào)節(jié)閥簡化為相同的流量噴嘴，然后認為氣體介質(zhì)在噴嘴中流動的過程是一個絕緣過程，然后用能量平衡方程導出計算公式，即：

   （1）

式中 γ_N——標準條件下的氣體重度為單位kgf/m³（1kgf＝9.8N）；

Q——標狀下的體積流量為m³/h；

T——氣體溫度，單位為K；

p₁——閥前壓力，單位為kgf/m²（1kgf＝9.8N）；

∆p——閥門前后壓差，單位為kgf/m²。

壓縮系數(shù)ε可用試驗確定，一般可用于空氣試驗：

   （2）

除壓縮系數(shù)法外，早期還有閥前密度法、閥后密度法和平均密度法。早期公式只能適用于壓力恢復(fù)程度低的情況，可以保證非臨界流范圍內(nèi)良好的計算精度。但由于公式對計算模型的簡化，∆p/p₁當增加到臨界壓差比時，會產(chǎn)生較大的誤差，不能滿足過渡區(qū)和臨界區(qū)的要求。

♂

2.膨脹系數(shù)法

鑒于早期計算公式?jīng)]有考慮閥門壓力恢復(fù)特性對計算的影響，20世紀70年代，一些外國制造商提出了一系列以膨脹系數(shù)法、多種公式法和正弦法為代表的后期公式，改進了早期公式，可以更好地滿足非臨界區(qū)到臨界區(qū)的計算精度。與早期公式相比，以膨脹系數(shù)法為代表的后期公式的計算結(jié)果更經(jīng)濟，可以減少不必要的浪費。膨脹系數(shù)法以其計算的簡單性為基礎(chǔ)IEC推薦為標準公式。膨脹系數(shù)法引入膨脹系數(shù)Y修正得出，當Y=1時，膨脹系數(shù)法也適用于不壓縮液體工況。

   （3）

式中ρ_N——標準條件下的氣體密度為單位kg/m³；

Q——標狀下的體積流量為m³/h；

T₁——氣體入口溫度為K；

p₁——閥前壓力，單位為kPa；

X——壓差比，X＝∆p/p₁；

Z——壓縮系數(shù)。

膨脹系數(shù)Y指在相同雷諾數(shù)下，可壓縮介質(zhì)的流量系數(shù)與不可壓縮介質(zhì)的流量系數(shù)之比。它表示流體從閥門入口流向節(jié)流孔下游最小流量面積的密度變化，以及壓差變化時的密度變化。

   （4）

式中F_K——比熱比系數(shù)，F(xiàn)_K＝K/1.4。

膨脹系數(shù)法引入了壓縮系數(shù)，因為計算公式本身不包括上游條件下流體的實際密度Z補償實際氣體與理想氣體在某些條件下的偏差。膨脹系數(shù)Y用于校正從閥門入口到喉管的氣體密度變化，Y與喉管面積與入口面積的比率、通道形狀、壓差比X、雷諾數(shù)和比熱比系數(shù)F_K其他因素素有關(guān)。膨脹系數(shù)法綜合考慮了影響可壓縮流體流量的許多因素，可以保證所有流量范圍內(nèi)的高計算精度，適用于各種類型的閥門，應(yīng)用廣泛。

四、結(jié)語

多級降壓調(diào)節(jié)閥作為管道系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，在控制過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文系統(tǒng)介紹了三種常見的多級降壓調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品的工作原理、核心結(jié)構(gòu)、特點和適用場合，為用戶了解多級降壓調(diào)節(jié)閥的基本類型和特點提供了參考。此外，由于多級降壓調(diào)節(jié)閥經(jīng)常用于可壓縮條件，本文還總結(jié)了可壓縮條件下流量系數(shù)的典型計算方法，使用戶能夠根據(jù)正確的計算方法選擇調(diào)節(jié)閥的具體型號。簡而言之，本文為用戶了解多級降壓調(diào)節(jié)閥的特點，并在高壓差下合理選擇提供了一定的參考。