多级减压调节阀是中国核电工程有限公司在秦山一期核电工程的扩建项目——方家山核电工程1-2号机组上使用的, 安装在NX或WX厂房的管道上。
1 工况简介
介质:反应堆冷却剂, 液体, 进口压力P 1=1.4 9/1 5.5 M P a (A) , 出口压力P 2=0.8 MP a (A) , 最大流量Q m a x=0.2 5 m 3/h, 最小流量Qmin=0.04m3/h, 工作温度T=60℃, 介质密度ρ=1000kg/m3。
2 口径计算
2.1 调节阀流量系数的计算 (按照G B/T 1 7 2 1 3.
2-2 0 0 5/I E C 6 0 5 3 4-2-1:1 9 9 8工业过程控制阀第2-1部分:流通能力安装条件下流体流量的计算公式)
阻塞流压差:△P′=FL2 (P1-FFPv) (1)
式中:
FL为液体压力恢复系数, 取0.9;
FF为液体的临界压力比系数;
Pc为绝对热力学临界压力, 水:Pc=22120k Pa
Pv为入口温度下液体蒸汽的绝对压力, Pv=0.20313kgf/cm2=20.313k P a
代入 (2) 得:
(1) 在最小压差下、最大流量时, 即当P1=1.49 M P a时。
∵△P<△P′, 为非阻塞流情况
其中:Q为流量 (m3/h) , Qmax=0.25m3/
△P为阀前后压力差 (k Pa) , △P=690k Pa
N1为数字常数N1=1×10-1
ρ1/ρ0为相对密度, (对于15℃的水, ρ1/ρ0=1)
(2) 在最大压差、最小流量时, 即当P 1=1 5.5 M P a时。
∵△P>△P′, 为阻塞流情况
其中:Q为流量 (m3/h) , Qmin=0.04m3/h
P1为进口绝对静压力 (k Pa) , P1=15500k Pa
N1为数字常数N1=1×10-1
ρ1/ρ0为相对密度, (对于15℃的水ρ1/ρ0=1)
2.2 可调比与流量特性的确定
从计算的Kv值来看, 此阀属小流量或超小流量阀 (阀流量系数Kv值从10-5~1.0为小流量阀;当Kv≤2×10-2为超小流量阀) , 最大最小Kv之比为26.38, 也就是阀的最小调节比是26.38, 阀的可调比应选50或50以上。从表1工况参数可以看出, 低压差时流量高, 高压差时流量有最大最小, 且相差很大, 同时阀在大压差小流量时为阻塞流工况, 因此选择等百分比特性比较好并进行特性曲线修正, 因为等百分比特性可用于低流量时高压力降和高流量时低压力降的工况, 且要使限定数据可用, 作为防护措施而使阀门尺寸过大时, 等百分比特性能提供最大的控制范围, 并且可改变形状以改善幅度变化范围。
参考CV3000系列小流量阀最小的Kv为0.01, 阀芯直径dg6, 考虑到阀的全开流量比一般阀的泄漏量还小, 必须超小间隙节流同时考虑其调节精度和零件的加工难度阀芯直径仍选择dg6, 阀芯曲线进行修正近似等百分比设计。 (阀芯曲线需特殊设计和做流量试验来不断修正, 本文不作论述。)
3 降压级数的确定
对于液体工况, 当流体流经阀门最狭窄点 (收缩断面) 时, 流速加快而压力会降低, 如果压力降低于流体温度对应下的饱和蒸汽压Pv时, 则开始形成汽泡, 当液体移动到容器或下游的较大面积时, 压力恢复到一定范围, 当压力增加高于蒸汽压力时气泡破裂或爆炸, 这就是气蚀现象。而当下游压力不能恢复到蒸汽压力以上时, 汽泡遗留在流体内产生液体和气体的混合物这叫做闪蒸。当液体物流被混有汽泡或气穴的流体本身所饱和时, 就发生物流堵塞即产生阻塞流。
当阻塞流产生时, 必然是有闪蒸、空化的发生, 闪蒸和空化会对阀门造成一定程度的损坏, 降低使用寿命。为了防止空化的产生, 只有控制缩流面处的压力Pvc, 使其保持不低于液体的饱和蒸气压Pv, 对于压差较大的场合, 可通过多级降压, 确保介质通过每一降压段时的压力不小于液体的饱和蒸气压。
调节阀两端压差即为阻塞流压差 (△P′) , 当△P≤△P′时, 即可避免闪蒸和汽蚀的发生。采用多级降压时每一级降压的实际压差△P均应小于阻塞流压差△P′。
由于△P>△P′, 且P2>Pv, 所以不采用降压措施将产生汽蚀现象。为了避免汽蚀的产生, 应采取降压措施。经验算二、三级降压不能满足要求, 所以采用四级降压。
根据多级节流的原理, 每一级的压降按几何级数递减, 即:
解之得:
根据式 (1) 得:
由于△P1<△P1′, △P2<△P2′, △P3<△P3′, △P4<△P4′, 每级降压后都不会出现闪蒸、空化情况, 所以采用四级降压设计是合理的。
4 结构原理
多级减压调节阀流向采用底进侧出, 流体通过多个节流截面, 压降被分摊到一连串的流通口上, 也就是流体每过一个节流面遇到流动阻力分担一部分压差, 从而降低流体流速, 防止阀门气蚀、空化、噪音、颤动。
因阀选用阀芯直径较小, 多级减压调节阀阀芯结构采用不平衡平型阀芯。结构见图1。
阀门工作时 (图2) , 流体沿平行于多级阀芯的轴线方向向上流动, 通过多个阀座通道口多级节流, 使高压降沿阀芯轴线方向平均分布, 有效控制了流体的速度, 从而起到降低噪音和防止液体空化的作用。极大地提高了阀门在苛刻工况条件下的使用寿命。
阀门在启闭和小流量开度时, 高压差全部集中在阀芯和阀座的密封面上, 高速流体会对密封面造成严重冲刷, 为了保护阀内件不受损坏, 提高阀门的使用寿命, 阀内件不仅要考虑到强度, 还应具有较强的抗冲刷损坏能力, 最常用的有效方法是使用较硬材料 (洛氏硬度超过40) (见表2) 。
5 结语
多级降压高压差调节阀设计结构独特, 在高压差下能够有效地防止空化, 并能耐腐蚀抗擦伤, 有较长的使用寿命, 符合核电工程的各项要求。
摘要：本文主要简单从工况介绍、口径计算、降压级数、结构原理等方面介绍了多级减压调节阀的计算和选型设计。
关键词：多级减压调节阀,计算,选型设计
参考文献
[1] GB/T17213.2-2005/IEC60534-2-1:1998.工业过程控制阀.第2-1部分:流通能力.安装条件下流体流量的计算公式[S].
[2] 阀门手册.[美]Philip L.Skousen.