作 者： 邱宏軍 張乃波
摘 要： 介紹了調(diào)節(jié)閥在型線設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)計(jì)算公式求得在每個(gè)開(kāi)度下的壓差，論述了如何將調(diào)節(jié)閥在最小開(kāi)度下的節(jié)流面積融合在總面積之中，使調(diào)節(jié)閥的特性曲線更趨于合理。

1 概述

鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是鍋爐基本調(diào)節(jié)系統(tǒng)之一，它是控制鍋爐汽包水位，確保鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)不可缺少的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。給水調(diào)節(jié)閥是鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的部件，它的性能直接影響到調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作的可靠性和自動(dòng)化的程度。由于在不同鍋爐上的調(diào)節(jié)閥，在調(diào)節(jié)過(guò)程中壓差變化也會(huì)不同，如使用定速泵和變速泵，其在啟動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)壓差相差幾倍或十幾倍，這樣，要用一種標(biāo)準(zhǔn)型線滿(mǎn)足所有工況條件是不可能的。因此，除了考慮高壓差的合理分配外，對(duì)于調(diào)節(jié)閥性能的優(yōu)劣更是取決于其節(jié)流件型線的設(shè)計(jì)，是否與調(diào)節(jié)過(guò)程中因負(fù)荷變化，壓差隨之變化而相適應(yīng)。根據(jù)研究確定，只要在設(shè)計(jì)節(jié)流件時(shí)，準(zhǔn)確的把調(diào)節(jié)過(guò)程中壓差變化范圍和型線計(jì)算結(jié)合在一起考慮，就可以得到一種比較趨于合理的設(shè)計(jì)。

2 型線計(jì)算公式

調(diào)節(jié)閥節(jié)流件的型線設(shè)計(jì)，是指把調(diào)節(jié)閥的流通面積，按照一定的比例（直線、等百分比、拋物線等）分配到各個(gè)行程上的設(shè)計(jì)中去，這種比例就是要使調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)過(guò)程中和變化的壓差相適應(yīng)，而使調(diào)節(jié)閥在預(yù)定的操作條件下（圖1），使通過(guò)它的流量與它的行程具有相對(duì)均勻的穩(wěn)定性，而保證相對(duì)流量和相對(duì)行程的關(guān)系在直角坐標(biāo)系內(nèi)為一條直線。其比例關(guān)系式為

在調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)過(guò)程中，大多數(shù)情況下給水溫度不會(huì)發(fā)生較大的變化，其密度也不會(huì)受到壓力變化的影響，可以假定γ_i=γ_max，如果假設(shè)F₁=γ_iF_i、F=γ_maxF_max，則式（7）可以化簡(jiǎn)為

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式中F₁———調(diào)節(jié)閥在任意開(kāi)度下的有限流通截面積，m²

F———調(diào)節(jié)閥在全開(kāi)度下的流通截面積，m²

調(diào)節(jié)閥在連續(xù)調(diào)節(jié)過(guò)程中，當(dāng)壓差由Δp_i變化到Δpmax時(shí)，使調(diào)節(jié)閥的工作特性保持在線性狀態(tài)下，式（8）為在任意開(kāi)度下的有效流通截面積的計(jì)算公式。而當(dāng)Δp_i=Δ_pmax時(shí)，式（8）為定壓差下（在變速泵）調(diào)節(jié)閥運(yùn)行時(shí)在任意開(kāi)度下的流通截面積計(jì)算公式。

在運(yùn)用式（8）時(shí)，其最大壓差Δ_pmax是由用戶(hù)給定，F(xiàn)₁按式（6）計(jì)算，調(diào)節(jié)比R按系統(tǒng)調(diào)節(jié)的要求選定，相對(duì)行程l/L由設(shè)計(jì)決定，而Δ_pi則根據(jù)機(jī)組啟動(dòng)方式和鍋爐給水方式選用。

3 調(diào)節(jié)閥壓差

調(diào)節(jié)閥的壓差，特別是在每個(gè)開(kāi)度下的壓差，是設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥流通面積的一個(gè)重要的數(shù)據(jù)。一個(gè)準(zhǔn)確的壓差數(shù)據(jù)，是決定調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能能否滿(mǎn)足鍋爐給水系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行的保證。但壓差和鍋爐啟動(dòng)方式、給水泵的特性以及給水系統(tǒng)的組成有著密切的關(guān)系。一般情況下，用戶(hù)或設(shè)計(jì)院將會(huì)提出較為準(zhǔn)確的最大壓差，但不能提出調(diào)節(jié)閥在每個(gè)開(kāi)度下的壓差，通過(guò)實(shí)踐，提出了近似的但基本上可以滿(mǎn)足運(yùn)行要求的計(jì)算公式。

3.1 鍋爐定壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的計(jì)算公式

在鍋爐內(nèi)的介質(zhì)壓力與給水管內(nèi)的壓力變化不大的運(yùn)行情況下，調(diào)節(jié)閥的壓差僅受給水系統(tǒng)阻力的影響，可近似看作系統(tǒng)兩端壓力不變（圖2），其調(diào)節(jié)閥在每個(gè)開(kāi)度下的壓差為

Δ_pi=p₁-p₂-Δ_p3 （9）

式中p₁———給水管內(nèi)壓力，MPa

p₂———鍋爐汽包內(nèi)介質(zhì)壓力，MPa

Δ_p3———給水系統(tǒng)各部件的阻力，MPa

式中Q_i———通過(guò)給水系統(tǒng)的流量，t/hξ———給水泵系統(tǒng)總的阻力系數(shù)（由鍋爐汽水阻力計(jì)算而得）

g———重力加速度（g=9.8m/s²），m/s²

γ———介質(zhì)密度，kg/m³

F₂———給水管道截面積，m²

將式（11）代入式（10）可得

式（13）可以用于在定壓?jiǎn)?dòng)和水管制供水的機(jī)組上的調(diào)節(jié)閥，計(jì)算調(diào)節(jié)閥在各個(gè)開(kāi)度的流量下的壓差。在使用式（13）時(shí)，應(yīng)注意公式中的阻力系數(shù)ξ應(yīng)是從給水泵出口至鍋爐汽包之間，包括彎頭、管道、省煤器等所有產(chǎn)生阻力部件的阻力系數(shù)之和。

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3.2 鍋爐滑壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的壓差

目前在大容量的高溫高壓發(fā)電機(jī)組，基本上采用滑壓?jiǎn)?dòng)方式，在這類(lèi)機(jī)組中鍋爐的供水方式比較復(fù)雜，有定速泵、變速泵、定速泵和變速泵交叉以及水管制供水等多種形式。因此，使調(diào)節(jié)閥在滑壓?jiǎn)?dòng)中，其壓差變化范圍比較大，其中猶以定速泵供水為最大。因?yàn)椋跈C(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，鍋爐汽包內(nèi)的介質(zhì)壓力是隨著鍋爐的蒸發(fā)量增加而提高，給水系統(tǒng)的阻力也是隨著給水量的增加而增加，而給水泵的出口壓力則是隨著流量的增加而降低（圖3），造成了調(diào)節(jié)閥的壓差隨著開(kāi)度的增加而降低。

由于鍋爐升壓曲線和鍋爐蒸發(fā)量之間沒(méi)有固定的函數(shù)關(guān)系，給水泵的特性曲線也因其結(jié)構(gòu)的不同不盡相同，因此，調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)工程中各個(gè)開(kāi)度下的壓差不能用一個(gè)函數(shù)式表達(dá)。但可以從鍋爐機(jī)組上鍋爐升壓特性曲線和給水泵的特性曲線上，查出在同一流量下的鍋爐汽包壓力和給水泵出口壓力，其在不同開(kāi)度下的壓差Δ_pi為

Δ_pi=Δ_p-Δ_p3 （14）

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式中Δ_p———在同一流量下給水泵出口壓力和鍋爐汽包壓力之差，MPa

Δ_p=p₃-p₄

Δ_p3———系統(tǒng)阻力，MPa

p₃———在鍋爐給水流量為Q_i時(shí)水泵出口壓力，MPa

p₄———在鍋爐給水流量為Q_i時(shí)鍋爐汽包壓力，MPa

在滑壓?jiǎn)?dòng)機(jī)組中，鍋爐供水為水管制時(shí)，則式中的p₃為給水水管內(nèi)的介質(zhì)壓力，并可認(rèn)為它是一個(gè)定值。如果機(jī)組使用調(diào)速泵供水，在計(jì)算給水旁路上的調(diào)節(jié)閥的壓差時(shí)，p₃可按調(diào)速泵最低轉(zhuǎn)速的特性曲線查得。此時(shí)，給水調(diào)節(jié)閥的壓差Δ_pi，可以做為一個(gè)常量，通常情況下，Δ_pi=0.15～0.12MPa。

3.3 簡(jiǎn)化計(jì)算

在設(shè)計(jì)滑壓?jiǎn)?dòng)機(jī)組上給水調(diào)節(jié)閥時(shí)，當(dāng)無(wú)法取得鍋爐升壓曲線、水泵的特性曲線以及給水泵有關(guān)資料時(shí)，在用戶(hù)只能提供通過(guò)調(diào)節(jié)閥最大流量和最小流量的壓差時(shí)，可以把水泵和鍋爐的升壓特性曲線（圖4）看作是兩條直線，并認(rèn)為給水系統(tǒng)的阻力也在這兩條線之內(nèi)，由此，調(diào)節(jié)閥在任意開(kāi)度下的壓差Δ_pi可以近似的計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果基本上可以滿(mǎn)足調(diào)節(jié)閥型線設(shè)計(jì)的要求。

式中Δ_ps———調(diào)節(jié)閥流量為零時(shí)的壓差，MPa

Δ_pa———調(diào)節(jié)閥最小可調(diào)流量下的壓差，MPa

Δ_pb———調(diào)節(jié)閥最大流量下的壓差，MPa

按照式（14）計(jì)算調(diào)節(jié)閥在任意開(kāi)度下的壓差，存在著調(diào)節(jié)閥實(shí)際流量特性曲線和理想特性曲線有一定的偏差。但是這種計(jì)算方法可以解決設(shè)計(jì)資料不足的困難，并且可以在縮小偏差的基礎(chǔ)上，滿(mǎn)足鍋爐給水系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行的要求，所以設(shè)計(jì)者經(jīng)常采用。

3.4 可調(diào)比的計(jì)算與選擇

當(dāng)用公式計(jì)算調(diào)節(jié)閥每開(kāi)度下的壓差后，應(yīng)該用最大壓差和最小壓差計(jì)算和選用調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比。當(dāng)調(diào)節(jié)閥的壓差隨流量的變化而變化時(shí)，可調(diào)比為

式中Q_max1———最大可調(diào)流量，t/h

Q_N1———最小可調(diào)流量，t/h

按式（17）計(jì)算的可調(diào)比，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以適當(dāng)?shù)募哟螅话闱闆r下保留兩位小數(shù)，末位數(shù)為0或5。對(duì)于鍋爐主給水調(diào)節(jié)閥和噴水減溫調(diào)節(jié)閥，由于其流量的起點(diǎn)不同，調(diào)節(jié)比的取值也應(yīng)該不同，這主要因?yàn)?，噴水減溫調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)是從很小的開(kāi)度下開(kāi)始，并且要求是很精準(zhǔn)和穩(wěn)定的，如果運(yùn)行狀況比較平穩(wěn)，運(yùn)行水平很高，則需要的噴水量基本上保持在一個(gè)常數(shù)上，這就需要其調(diào)節(jié)比很大，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行，調(diào)節(jié)比R=30～50。而鍋爐給水操縱臺(tái)一般由兩到三條管路組成，而主給水調(diào)節(jié)閥的投入大多在30%負(fù)荷以上才開(kāi)始投入運(yùn)行。以670t/h鍋爐為例，一投入運(yùn)行，其流量就應(yīng)該是200t/h以上，從可調(diào)比計(jì)算公式上也可以看出，在小開(kāi)度下流通面積如果過(guò)小，就加大了給水旁路交接時(shí)調(diào)節(jié)開(kāi)度，造成了主給水調(diào)節(jié)閥工作流量特性曲線斜率過(guò)大，不利其瞬時(shí)調(diào)節(jié)既可滿(mǎn)足鍋爐運(yùn)行的需要，因此，對(duì)于鍋爐主給水調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比建議采用R=10～20。

4 型線繪制

根據(jù)調(diào)節(jié)閥在每個(gè)開(kāi)度下的壓差以及流通面積的計(jì)算，可以進(jìn)行閥節(jié)流件型線的繪制。但是，不論采用矩形法還是梯形法繪制窗口型線時(shí)，總要出現(xiàn)圖5所示的形狀。形成這一現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)l/L=0時(shí)，，因此，在調(diào)節(jié)閥的行程l=0時(shí)，在加上閥瓣和套筒之間的制造間隙所固有的面積，無(wú)論是直線特性，還是等百分比特性，就已經(jīng)存在了間隙的面積下的流量。它不僅影響了調(diào)節(jié)閥的工作特性曲線形成不了一條光滑的曲線，而且使小流量下，調(diào)節(jié)閥在運(yùn)行過(guò)程中不易控制，并給加工帶來(lái)了一定的困難。因此，在型線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將l=0時(shí)存在的的面積扣除，如圖5中上部虛線部分放到下部，就可以使調(diào)節(jié)閥的工作流量特性曲線的邊光滑，同時(shí)提高了調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比，解決了調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度下的有效調(diào)節(jié)，并消除了加工上的困難。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥時(shí)，要針對(duì)不同的系統(tǒng)，掌握其工作條件以及在不同負(fù)荷下的流量和壓差變化范圍等參數(shù)，才能設(shè)計(jì)出理想的，適合系統(tǒng)運(yùn)行的高質(zhì)量的產(chǎn)品，這是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作，要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)與反復(fù)修正才能達(dá)到完善。特別是新設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)閥，應(yīng)對(duì)各種結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)行工況進(jìn)行有針對(duì)性的試驗(yàn)，掌握其壓差變化的規(guī)律，才能達(dá)到設(shè)計(jì)一個(gè)較為理想的調(diào)節(jié)閥的目的。

參考文獻(xiàn)

（1）明賜東.調(diào)節(jié)閥計(jì)算選型使用（M）.四川：成都科技大學(xué)出版社，19991