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蒸汽控制閥的選型應(yīng)用
為何過(guò)程控制中需要使用蒸汽控制閥?如何降低蒸汽壓力?
減壓閥有什么優(yōu)勢(shì)?蒸汽減壓閥有什么類型？
在受到加熱作用時(shí)，水分子不斷地被破壞、結(jié)合。加熱作用使分子間的結(jié)合變得脆弱，終一些分子會(huì)在高溫下斷裂，產(chǎn)生蒸汽或干蒸汽。當(dāng)一些水分子釋放其潛熱并形成微小的水滴時(shí)，就會(huì)形成濕蒸汽。
蒸汽在許多工業(yè)應(yīng)用中使用。常見的應(yīng)用是工藝加熱和驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。除此之外，蒸汽還用于霧化、清潔、保濕和加濕。但使用蒸汽時(shí)，大多數(shù)情況需要進(jìn)行一些參數(shù)控制，蒸汽控制閥就自然而然地成為過(guò)程控制工程的一部分。
為何過(guò)程控制中需要使用蒸汽控制閥
從技術(shù)上講，閥門是任何系統(tǒng)中用來(lái)控制液體或蒸汽流量的裝置。蒸汽控制閥主要的目的是降低工藝環(huán)節(jié)中的入口蒸汽壓力。除了控制壓力外，蒸汽控制閥還控制溫度。
鍋爐通常會(huì)在高壓下工作，因?yàn)榈蛪翰僮鲿?huì)導(dǎo)致水被攜帶在蒸汽中。高壓蒸汽的比容較低，有助于減少管道承載的重量。實(shí)際上，由于管道和保溫材料成本降低，蒸汽的分配變得更容易、更便宜。
工業(yè)過(guò)程會(huì)在較低壓力下使用蒸汽。其原因在于低壓蒸汽具有較高的潛熱，這在很大程度上提高了能源效率。蒸汽壓力和溫度相關(guān)，因此控制蒸汽壓力就可以自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度。降低蒸汽壓力也與工廠的安全需求有關(guān)。蒸汽壓力可以通過(guò)蒸汽控制閥來(lái)控制。
在使用蒸汽的設(shè)備中，蒸汽通常在高壓下產(chǎn)生，并通過(guò)局部減壓來(lái)為每個(gè)蒸汽用戶提供熱量。減壓閥的通常是為了盡量減小蒸汽輸送管道的直徑，并使蒸汽輸送更具成本效益。
如何降低蒸汽壓力
降低壓力的一種常見方法是通過(guò)節(jié)流來(lái)減小蒸汽通道的尺寸。對(duì)于基本的減壓，可以簡(jiǎn)單地在固定的、部分開啟的位置，安裝傳統(tǒng)的截止閥，或者在蒸汽流中插入孔板。然而，任何流量的波動(dòng)都會(huì)伴隨相應(yīng)的壓力波動(dòng)。為了避免出現(xiàn)這種情況，可以使用減壓閥（PRV）來(lái)控制下游的壓力。這些減壓閥能自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，以確保即使流量產(chǎn)生波動(dòng)，壓力也保持不變。
減壓閥的優(yōu)勢(shì)
通過(guò)使用啟動(dòng)控制閥、壓力傳感器和控制器的組合方式，可保持壓力的恒定，然而，減壓閥卻具備通過(guò)*自動(dòng)的獨(dú)立操作來(lái)控制壓力的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需任何類型的外部動(dòng)力。它可以通過(guò)基于對(duì)下游壓力的即刻感知和調(diào)整，做出極快的響應(yīng)動(dòng)作。
圖1：讓加熱工藝能在低于鍋爐壓力的條件下使用蒸汽，從而使之受益。因此，減壓閥通常被用于將蒸汽壓力降低到工藝所需的設(shè)定值。
圖注：
Boiler：鍋爐
Pressure Reducing Valve：減壓閥
Jacketed Kettle：雙層鍋
Trap:疏水閥
蒸汽減壓閥的類型
在減壓閥中，自動(dòng)調(diào)節(jié)下游壓力的機(jī)構(gòu)通常會(huì)利用蒸汽壓力與調(diào)節(jié)彈簧之間達(dá)到的力的平衡。目前，這幾乎是所有減壓閥所采用的通用概念。但是有兩種不同的方法可實(shí)現(xiàn)該機(jī)制以控制閥門開度：
? 無(wú)先導(dǎo)、直接作用式減壓閥：調(diào)節(jié)彈簧將下調(diào)壓力設(shè)定力直接施加在主閥上。
先導(dǎo)式減壓閥：調(diào)節(jié)彈簧將下調(diào)壓力設(shè)定力直接施加在先導(dǎo)閥上，該閥較小且不同于主閥。
以下是每種類型的PRV的特性概述。
直接作用式減壓閥（無(wú)先導(dǎo)）
用于不必進(jìn)行非常的壓力控制的小負(fù)荷。
優(yōu)點(diǎn)：體積小，價(jià)格低，易于安裝。
缺點(diǎn)：比先導(dǎo)式PRV更高的壓降（與設(shè)定壓力的變化）。
圖2：通過(guò)直接作用于閥門本身的平衡力來(lái)調(diào)節(jié)輸出蒸汽壓力：壓縮調(diào)節(jié)彈簧所產(chǎn)生的向下的力，抵抗作用于波紋管或隔膜底部的來(lái)自二次壓力的向上的力。
圖注：
Direct Acting Pressure Reducing Valve直接作用式減壓閥
Adjustment Handle：調(diào)節(jié)手柄
Adjustment Spring：調(diào)節(jié)彈簧
Primary Pressure:一次壓力
Main Valve:主閥
Belows:波紋管
Secondary Pressure:二次壓力
在直接作用式減壓閥中，閥門的開度直接取決于調(diào)節(jié)彈簧的移動(dòng)。如果彈簧被壓縮，它會(huì)在閥門上產(chǎn)生開啟力，從而增加流量。
當(dāng)壓力向下游積聚時(shí)，則下游壓力會(huì)被傳遞到調(diào)節(jié)彈簧的底面（通常是緊靠著波紋管或隔膜），在那里，這一向上的力與彈簧壓縮力之間取得相互平衡。開啟閥門的彈簧壓力受到限制，以便在達(dá)到足夠彈簧靈敏度的同時(shí)，抵消下游壓力的變化。終的結(jié)果是通過(guò)閥孔板簡(jiǎn)單地控制會(huì)導(dǎo)致壓力下降的高流速處的壓力。
先導(dǎo)式減壓閥
用于必須進(jìn)行非常的壓力控制的較大負(fù)荷。
優(yōu)點(diǎn)：與直接作用式相比，能以的壓力控制、對(duì)負(fù)載變化的快速響應(yīng)，可在更大的流量范圍內(nèi)使用。
缺點(diǎn)：尺寸大，價(jià)格高。
圖3：輸出蒸汽壓力的調(diào)節(jié)方式與直接作用式PRV類似，但通過(guò)先導(dǎo)閥進(jìn)行間接調(diào)節(jié)。
當(dāng)先導(dǎo)閥啟動(dòng)時(shí)，向較大的主閥提供比先導(dǎo)閥本身高得多的開啟流量。然后，先導(dǎo)閥通過(guò)二次壓力實(shí)現(xiàn)平衡，從而相應(yīng)地控制通向主閥的開啟流量。
圖注：
Adjustment Spring 調(diào)整彈簧
Pilot Valve 先導(dǎo)閥
Primary Pressure一次壓力
Main Valve主閥
Supply of Primary Pressure to the Piston
向活塞提供一次壓力
Intermediate Control Pressure to the Piston
對(duì)活塞的中間控制壓力
Piston活塞
Secondary Pressure 二次壓力
在先導(dǎo)式減壓閥中，先導(dǎo)閥用于向活塞或隔膜加載，從而增加用于開啟較大的主閥的向下作用力。這樣就可以在較低的壓力補(bǔ)償（降壓）下提高流量。先導(dǎo)閥的開啟和關(guān)閉由調(diào)節(jié)彈簧和二次壓力之間的力平衡來(lái)控制，作用方式與直接作用式閥的相同。
但在先導(dǎo)式PRV中，先導(dǎo)閥的這種開啟和關(guān)閉會(huì)有目的地向主閥活塞或隔膜傳遞壓力。接著，先導(dǎo)流量壓力會(huì)產(chǎn)生向下的作用力，活塞或隔膜表面會(huì)放大該力，從而使主閥開啟得更大，流量因此達(dá)到很高的水平。
由于使用活塞或隔膜會(huì)放大向下的作用力，先導(dǎo)閥開口的細(xì)微變化會(huì)導(dǎo)致通過(guò)主閥的流量以及下游壓力的較大變化，因此，為了在較大的蒸汽流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，調(diào)節(jié)閥上的彈簧力幾乎不需要改變。與直接作用式相比，快速響應(yīng)和緊密傳遞的壓力控制是這種閥門的主要優(yōu)點(diǎn)。
總結(jié)
從以上特點(diǎn)可以看出，無(wú)先導(dǎo)直接作用式減壓閥的功能和應(yīng)用與先導(dǎo)式減壓閥有很大的不同。簡(jiǎn)而言之：
當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，可使用直接作用式減壓閥，并可以允許下游壓力有一定的下降。它們通常用于輕負(fù)載工況。
先導(dǎo)式減壓閥能夠快速響應(yīng)不同的負(fù)載條件，同時(shí)在需要壓力控制的地方保持穩(wěn)定的二次壓力。它們通常用于負(fù)載較大的工況。
蒸汽使用裝置的典型應(yīng)用：
小負(fù)荷應(yīng)用，如滅菌器、單元加熱器、加濕器和小型工藝設(shè)備，通?？墒褂煤?jiǎn)單的直接作用式PRV來(lái)進(jìn)行減壓。
如果流量較大，例如蒸汽輸送管道，負(fù)載可能會(huì)根據(jù)接收設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)而產(chǎn)生大幅波動(dòng)。
這種負(fù)載變化和大容量要求使用先導(dǎo)式減壓閥來(lái)降低壓力。此外，某些設(shè)備所使用的蒸汽量可能在啟動(dòng)時(shí)與正常運(yùn)行期間存在很大差異。
如此大的變化也可能需要使用先導(dǎo)式PRV來(lái)進(jìn)行減壓。