关于波纹管平衡型自力式压差调节阀分析

一、引言

目前自力式压差调节阀无需外加能源，利用被调介质自身能量为动力源引入执行机构控制阀芯位置，改变两端的压差和流量，使阀前(或阀后)压力稳定，具有动作灵敏，密封性好，压力设定点波动力小等优点，它集检测、控制、执行诸多功能于一阀，自成一个独立的仪表控制系统。按阀后、阀前控制分为两类，即自力式阀后(减压)调节阀和自力式阀前(泄压)调节阀，广泛用于城市集中供热、供水、供气等民用行业及石油、化工、电力、冶金、轻纺等工业领域，可对蒸汽、液体、气体及燃气等介质进行减压稳压或泄压稳压的自动控制。为了方便自力式压差调节阀的选型与维护，需要深入的探究其基本原理。

通过对比自力式阀后(减压)类型的两种自力式压差调节阀，分析了波纹管平衡型自力式压差调节阀的工作原理和优点。

二、波纹管平衡型自力式压差调节阀的结构和原理

1、结构

波纹管平衡型自力式压差调节阀由阀体、阀杆、阀芯、波纹管平衡件、阀座、弹簧、膜片、引压管组成。波纹管平衡件内腔与阀出口连接，而波纹管平衡件外腔则通过引压管与阀入口连接。作为执行机构膜片一端与阀杆连接，另一端则通过引压管与阀出口连接(见图1)。

2、工作原理

如图1所示，阀前压力P1经过阀芯、阀座后，减为阀后压力P2，P2经过管道输入上膜室内反馈作用到调节阀的执行元件膜片上，产生的作用力与弹簧的反作用力相平衡，决定了阀芯、阀座的相对位置，控制阀后压力P2。当P2升高时，P2作用在膜片上的作用力也随之增加。此时，膜片上的作用力大于弹簧的反作用力，使阀芯向关向阀座的位置移动。这时，阀芯与阀座之间的流通面积减少，流阻变大，P2降低，直到膜片上的作用力与弹簧反作用力相平衡为止，阀芯便停留在新的平衡位置上，从而使P2降低，压力达到设定值，阀后压力得到稳定。

图1　波纹管平衡型自力式压差调节阀结构

三、波纹管平衡型与无平衡元件的自力式压差调节阀的比较

1、无平衡元件的自力式压差调节阀的受力分析

无平衡元件自力式压力调节阀的结构及其静态力平衡分析见图2，当工作点设定好以后，弹簧的预载一直增加，直到达到能够控制系统所要求的设定值：

式中　F_F———弹簧力；
　　　k_F———弹簧刚度；
　　　x———弹簧压缩量；
　　　F_M———作用于膜片上的力；
　　　F_K———作用于阀芯上的力；
　　　A_M———膜片面积；
　 　ΔP———上下游压差；
　　　A_S———阀座面积。

由式(1)可知，系统的扰动变量是上下游压力差ΔP，流体通过阀体部件，上下游压力分别作用于阀芯阀杆上，阀芯受到静压和动压所产生的作用力，如果压力差很大或阀座直径大由此产生的阀芯力也就很大，将会增加阀体内阀芯与阀座之间的静摩擦力和滑动摩擦力。

图2　无平衡元件的自力式压差调节阀

由于没有采取压力平衡措施，无平衡元件自力式压差调节阀的性能受调节阀进出口压力变化影响较大，导致调节阀的调节精度和适用压力范围受到限制。对于单座调节阀，其不平衡力较大，特别在高压差大口径场合不平衡力则更大。为了减少不平衡力的不利影响，提高调节阀性能，在设计中设计了压力平衡系统，即波纹管平衡型自力式压差调节阀(见图3)，通过引压管将调节阀进出口压力引入到压力平衡元件———波纹管的内外表面，波纹管将相应的伸长或缩短，从而平衡了调节阀进出口压差对阀芯的扰动作用力，使调节阀的性能有较大提高。

2、波纹管平衡型自力式压差调节阀关键部件的受力分析

(1)波纹管平衡机构作用于阀芯的力的分析

由式(1)可知，弹簧刚度的变化、薄膜有效面积的变化以及阀杆和填料之间的摩擦力会使执行机构产生非线形偏差和行程偏差，采用了波纹管压力平衡机构，由波纹管作为平衡件平衡阀芯力，下游压力P2作用于波纹管内表面，上游压力P1作用于波纹管外表面，这样作用于阀芯上的上游和下游的压力就可相互平衡：

式中　A_B———波纹管横截面积；
　 　　F_B———作用于波纹管的力。

图3　波纹管平衡型自力式压差调节阀

如果A_B、A_S的有效面积可以保持恒等，并且假设阀芯阀杆的相交叉部分面积忽略不计，用作用在波纹管上的力是可以补偿阀芯力FK的，平衡阀芯力是为了实现控制过程的精度。

(2)自力式压差调节阀膜片力的平衡分析

联立式(1)、式(2)可以得出：

式中　l———阀芯位移；
　 x_pl———弹簧的预载压缩量。

由式(4)可知，随着出口压力成比例变化的弹簧的形变量x的变化等同于阀门行程的变化。ΔP和Δl的关系是不变的，基本上是膜片的大小及弹簧的刚度所决定的一个静态常数。

(3)弹簧复位力

根据图3，弹簧复位力为：

式中　x———弹簧、波纹管位移；
　　k_B———波纹管刚度；
　　F_pl———弹簧预载附加力。

由图2和图3中静态平衡力的分析比较可得，压力平衡阀相对于非平衡阀要求较小的执行机构力。又根据式(5)可知，弹簧复位力与波纹管的弹性也有关连。

四、波纹管平衡型自力式压差调节阀的选用和安装

1、特点

波纹管平衡型自力式压差调节阀具有以下特点。

(1)无需外加驱动能源的节能型自控系统，设备费用低，适用于爆炸性环境。
(2)结构简单，维护工作量小。
(3)设定点可调，且范围较宽，便于用户在设定范围内连续调整。

由于其具有波纹管压差平衡机构，关闭时阀泄漏量小，并且系统的扰动变量是阀前、阀后压力差，对阀芯的作用力大大减小，作用在波纹管上的力用来补偿阀芯力，使得调节阀反应灵敏、控制精度较高、允许压差较大。适用于工业生产过程中对各种气体、蒸汽进行精密稳压的场合，特别适用于城市供热、供暖及无外界供电、供气且又需控制流体及气体压力的场合。据报道，城市供热、供暖系统采用自力式压差调节阀，节能效率比以前提高30%～40%，节能效果显著。

2、自力式压差调节阀的选用

根据文献对气动薄膜执行机构的动态特性的分析可知，自力式压差调节阀是一种纯比例调节系统，比例控制的优点是反应快，控制及时，缺点是存在余差。调节精度一般为±5%～±10%。适用于调节品质要求不是很高的场合。

对波纹管平衡型自力式压差调节阀与无平衡元件的自力式压差调节阀的比较可知，波纹管平衡型自力式压差调节阀反应灵敏，控制精度相对较高，允许压差较大，但是波纹管平衡型自力式压差调节阀相对于普通自力式压差调节阀造价较高，使用寿命由于有波纹管平衡件原因而相对较低，管理维护也较为复杂。

3、安装方法

波纹管平衡型自力式压差调节阀符合一般自力式压差调节阀的安装要求，在供热系统中安装方式如图4所示。自力式压差调节阀安装方式原则上宜采用气体介质正立安装(执行机构在上、阀体在下)，液体与蒸汽介质倒装。气体介质温度高于70℃，低于140℃、液体介质温度高于140℃时，自力式压力调节阀除采用倒装外，还应在引压管路上加装隔离罐，并应在引压管路、隔离罐、膜头处注满冷媒，以防膜片受高温老化。

图4 波纹管平衡型自力式压差调节阀安装示意图

由图4可知，在安装供热系统时要注意，当介质温度小于70℃时，自力式压力调节阀可采用正立安装，而当介质温度大于70℃时，自力式压差调节阀应采用倒立安装。当介质温度较高采用倒立安装的主要原因是，倒立安装可通过引压管上装有的冷凝器，以防引压管内高温蒸汽的流向与冷凝水的流向相反而造成引压管阻塞；再者，执行机构膜片一般不耐高温，若高温蒸汽介质直接通过引压管作用于膜片，膜片的力学性能将会下降。

五、结论

波纹管平衡型自力式压差调节阀采用有效的压力平衡措施，主要用于对管道系统中的介质压力进行自动调节，并输出恒定的压力值，以防止管道内介质压力的波动而造成管道及阀门的损坏，保证管道系统的安全运行。由波纹管作为平衡元件平衡阀芯力，使调节阀反应灵敏、控制精度高、允许压差大。

波纹管平衡型自力式压差调节阀能依靠介质自身的压力变化达到自动调节和稳定压力的目的，适用于蒸汽、非腐蚀性气体及低粘度液体的场合，特别适用于城市供热、供暖及无外界供电、供气等对调节品质要求不是很高的控制压力的场合。

参考文献

1，周国熙：调节阀使用与维修，化学工业出版社(北京)，1997。
2，韩吉田　裘烈钧　李广文等：新型低压自力式压力调节器的研制，山东机械，1994(2)。
3，张永德：过程控制装置，化学工业出版社(北京)，2000。
4，侯鹏倩：自力式调节阀及其应用，石油化工自动化，2005(1)。