自作用压力控制及应用

本教程探讨了各种类型的自作用压力控制，包括直接操作波纹管驱动和膜片驱动阀门以及先导操作阀门，并提供正确选择和安装的指南。减压阀与保压阀和过剩阀一并讨论，并介绍了一些典型应用。

为什么要降低蒸汽压力？

降低蒸汽压力的主要原因相当根本。每台蒸汽使用设备都有最大允许工作压力 (MAWP)。如果此值低于蒸汽供应压力，则必须使用减压阀将供应压力限制在 MAWP 范围内。如果减压阀发生故障，系统中还必须安装安全阀。

然而，这并非使用减压阀能够获益的唯一场合。

大多数蒸汽锅炉设计为在相对较高的压力下工作，不应在较低压力下运行，因为可能会产生湿蒸汽。因此，从长远来看，以较高压力生产和分配蒸汽通常更经济，并在设计为在较低压力下运行的任何设备上游降低压力。

这种布置还具有额外的优势，由于高压下蒸汽占据的体积相对较小，可以使用相对较小的分配管网。

由于饱和蒸汽的温度与其压力密切相关，控制压力可以是提供精确温度控制的简单而有效的方法。这一事实在灭菌器和接触式干燥器等应用中得到了很好的利用，在这些应用中使用温度传感器难以实现表面温度的控制。在低蒸汽压力下运行的设备 —

由于低压蒸汽具有更高的蒸发焓，可能倾向于减少锅炉产生的蒸汽量。
将减少冷凝水收集罐开口排放处产生的闪蒸损失。目前可用的大多数减压阀可分为以下两大类 —
直接操作阀门。
先导操作阀门。

直接操作阀门

较小容量的直接操作减压阀（图 7.3.1） 操作方法 在启动时，调节弹簧处于松弛状态，上游压力在回位弹簧的辅助下将阀头压在阀座上处于关闭位置。顺时针旋转手轮产生向下的运动，压缩控制弹簧并拉伸波纹管以设定下游压力。此向下运动通过推杆传递，使主阀打开。然后蒸汽通过打开的阀门进入下游管道并包围波纹管。随着下游压力的增加，它通过波纹管作用来抵消调节弹簧力，并在达到设定压力时关闭主阀。阀芯进行调节以尝试实现恒定压力。为了关闭阀门，波纹管周围必须有压力积聚。这需要下游压力相对于蒸汽流量按比例高于设定压力。下游压力将随着负荷减少而升高，当阀门关闭时达到最高值。这种相对于负荷变化的压力变化意味着下游压力仅在某一负荷下等于设定压力。实际下游压力与设定点之间的差值就是比例偏差；它将相对于负荷增加，有时称为”偏移”。可用于关闭阀门的总压力包括作用在波纹管下方的下游压力加上作用在主阀本身下方的入口压力以及回位弹簧产生的小力。因此，控制弹簧力必须大于减压后的压力、入口压力和回位弹簧力之和，才能设定下游压力。入口压力的任何变化都将改变其在主阀上产生的力，从而影响下游压力。此类减压阀有两个主要缺点：

随蒸汽流量变化存在比例偏差
容量相对较低。然而，对于大量不需要精确控制、蒸汽流量相当小且相对恒定的简单应用来说，它完全足够。 较大容量的直接操作减压阀（图 7.3.2） ****也有较大容量的直接操作减压阀可用于较大容量的设备或蒸汽分配管网。它们与较小容量阀门略有不同，执行器力由作用在执行器内柔性膜片上的压力提供，而不是波纹管。由于这些不是先导操作的，它们会在蒸汽流量变化时产生下游压力变化，在选择和确定阀门尺寸时应仔细考虑。此类阀门在用于蒸汽时安装在管道下方，具有水封罐以防止高温蒸汽到达并损坏执行器的柔性膜片，膜片通常由氯丁橡胶制成。图 7.3.3 显示了降低蒸汽管网压力的典型安装。

先导操作阀门

在需要精确压力控制或大流量容量的情况下，可以使用先导操作减压阀。图 7.3.4 示意性地展示了此类阀门。先导操作减压阀通常比相同容量的直接操作阀门更小。先导操作减压阀通过压力感应管将下游压力与压力调节控制弹簧平衡来工作。这使先导阀移动以调节控制压力。通过先导阀传递的控制压力与先导阀开度成比例，并通过控制管导向主阀膜片的下方。膜片按先导阀运动的比例移动推杆和主阀。虽然下游压力和先导阀位置是成比例的（如直接操作阀门），但主膜片面积与先导膜片面积之比提供的机械优势具有高精度和小比例偏差。在稳定负荷条件下，先导膜片下方的压力平衡调节弹簧上设定的力。这稳定了先导阀，允许主膜片下方保持恒定压力。这确保主阀也保持稳定，提供稳定的下游压力。当下游压力升高时，先导膜片下方的压力大于调节弹簧产生的力，先导膜片向上移动。这关闭了先导阀并中断了蒸汽压力向主膜片下方的传递。主膜片顶部始终承受下游压力，由于现在主膜片上方的压力大于下方，主膜片向下移动将下方的蒸汽通过控制管和剩余压力孔推入下游管道。主膜片两侧的压力平衡，主阀回位弹簧产生的小的剩余力关闭主阀。负荷或压力的任何变化将立即在先导膜片上感应到，它将相应地调整主阀的位置，确保恒定的下游压力。先导操作设计相比直接操作阀门具有许多优势。只有非常少量的蒸汽需要通过先导阀来为主膜片室加压并完全打开主阀。因此，只需很小的控制压力变化就能产生大的流量变化。因此，相对于蒸汽流量变化的下游压力下降很小，通常从全开到全闭不到百分之三巴（3 kPa; 0.5 psi）。虽然上游压力的任何升高都会对主阀施加更大的关闭力，但相同的压力升高也会作用在主膜片的下方并平衡该效应。结果是一个无论上游侧如何变化都能精确控制下游压力的阀门。

在某些类型的先导操作阀中，活塞取代了主膜片。这在较大的阀门中可能有利，因为这些阀门需要非常大尺寸的主膜片。然而，活塞在其缸体中卡住的问题很常见，特别是在较小的阀门中。在任何先导操作控制阀之前立即安装过滤器和汽水分离器非常重要，因为清洁干燥的蒸汽将延长其使用寿命。

减压阀的选择和安装

首要任务是为给定应用选择最佳类型的阀门。不需要精确控制的小负荷应使用简单的直接操作阀门。在所有其他情况下，先导操作阀是最佳选择，特别是在没有需求时不允许下游压力升高的时段。所有类型的控制阀都应避免选型过大，减压阀同样如此。阀芯在通过湿蒸汽时在靠近阀座处工作可能遭受拉丝磨损和过早侵蚀。此外，过大的阀芯的任何微小移动都会产生相对较大的阀门流量变化，使阀门更难精确控制。更小、正确选型的减压阀将更不容易磨损，并提供更精确的控制。在需要大幅降低压力或应对负荷大幅波动的情况下，可能优选使用两个或多个串联或并联的阀门。虽然可靠性和精度取决于正确的选择和选型，但减压阀也依赖于正确的安装。图 7.3.5 展示了先导操作减压阀的理想安装布置。许多减压阀问题是由于湿气或污垢的存在造成的。如果在阀门前安装带细滤网的汽水分离器和过滤器，将有助于防止此类问题。过滤器水平安装以防止阀体充满水，并确保滤网的全部面积有效。大型隔离阀水平安装也有同样的好处。所有上游和下游管道和配件必须适当选型，以确保唯一明显的压降发生在减压阀本身。如果隔离阀与减压阀接口尺寸相同，它们将比与正确选型的较大直径上游和下游管道匹配时产生更大的压降。

如果下游管道或任何连接的设备无法承受可能的最大上游压力，则必须在下游侧安装安全阀或泄压阀。此阀应设定在设备的最大允许工作压力或以下，但应高于其正常运行压力有足够的余量。它必须能够处理在最大可能上游压力下通过全开减压阀的全部蒸汽量。

先导操作还使减压阀相对于类似容量和精度的其他阀门相对紧凑，并允许多种控制选项，如开/关操作、双压力控制、压力和温度控制、减压和过剩控制以及远程手动调节。图 7.3.6 中可以看到其中三种变体。

直接操作和先导操作控制阀可用于控制上游或下游压力。保压阀（和过剩阀）感测上游压力，而减压阀感测下游压力。

减压阀概述

感测和控制下游压力的阀门通常称为”降压阀”或”减压阀”（PRV）。此类阀门可用于维持控制阀、蒸汽流量计上的恒定蒸汽压力，或直接用于工艺过程。减压阀根据容量和应用类型进行选择。

保压阀

某些应用要求感测和控制上游压力，此类阀门通常称为”保压阀”或”PMV”。保压阀在某些应用中也称为过剩阀或溢流阀。 PMV 应用的一个例子是蒸汽发生设备容量不足，但蒸汽流量对工艺至关重要的情况。如果蒸汽需求大于锅炉输出，或在锅炉燃烧器关闭时突然上升，锅炉压力将下降；设备将供应越来越湿的蒸汽，锅炉运行可能受到危害。如果锅炉能在其设计压力下运行，将维持最佳蒸汽质量。这可以通过在每个非关键应用（可能是供暖设备或生活热水设备）上安装 PMV 来实现，从而引入受控的设备多样性。如果上游压力下降，这些设备将逐步关闭，优先保障关键服务。如果所有供应都被视为关键，则有多种选择可用，每种都有不同的成本影响。最便宜的解决方案可能是在锅炉蒸汽出口安装 PMV（见图 7.3.7 中的 PMV 1）。这将维持锅炉中的最低蒸汽压力，调节锅炉的最大流量，并在此过程中向设备保留优质蒸汽。如果有可能在高峰负荷期间关闭非关键设备，可以在供应这些区域的分配管或支管中安装 PMV。当蒸汽锅炉过载时，PMV 2 逐步关闭非关键供应，允许锅炉以适当压力向”关键”设备维持蒸汽流量。应该认识到，PMV 并非总是能够解决锅炉容量不足引起的问题。有时，当设备多样性较小时，只有一个真正的替代方案，即通过增加另一台锅炉来增加产能。然而，有时可以使用更便宜的替代方案 — 蓄热器。这允许在低负荷期间储存多余的锅炉能量。当锅炉过载时，蓄热器通过允许受控释放蒸汽到设备来补充锅炉输出（见图 7.3.8）。在图 7.3.8 中，锅炉设计为以 10 bar g 产生蒸汽，分别以 10 bar g 和 5 bar g 分配到工厂其余部分。 PRV 1 是减压阀，选型为通过锅炉容量减去高压蒸汽负荷的流量。在选型方面，减压阀 PRV 2 的容量应等于蓄热器设计的最大排放速率和运行时间，而设计用的差压应为蓄热器最低运行压力与低压（LP）分配压力之间的差值。在此示例中，PRV 2 可能设置在约 4.8 bar g 时打开。 PMV 是保压阀，其尺寸由蓄热器所需的充压时间和充压期间可用的剩余锅炉容量决定。在充压时，PMV 两端的压降可能相对较小，因此 PMV 可能相当大，通常与其安装管线相同尺寸。PMV 通常设置为刚好在锅炉最大压力设定值以下运行。当工厂总负荷在锅炉容量范围内时，PRV 2 关闭，锅炉通过 PRV 1 供应低压蒸汽负荷，PRV 1 设置为比 PRV 2 略高的控制压力。锅炉中的任何剩余蒸汽将导致锅炉压力升至 PMV 设定值以上，PMV 将打开以给蓄热器充压。充压将持续到蓄热器压力等于锅炉压力，或直到工厂负荷导致锅炉压力再次降至 PMV 设定值以下。如果低压蒸汽负荷继续增加，导致低压压力降至 PRV 2 设定值以下，PRV 2 将打开以从蓄热器供应蒸汽，补充通过 PRV 1 流动的蒸汽。设计蓄热器安装的方式不止一种；每种都取决于所涉及的情况，并具有成本影响。蓄热器的主题在模块 3.22”蒸汽蓄热器”中有更详细的讨论。

压力过剩阀

感测上游压力的能力可用于以受控和安全的方式从蒸汽系统中释放剩余压力。过剩阀本质上与 PMV 相同，在感测到上游压力升高时打开。过剩阀有时在向大气排放蒸汽时称为”排放”阀。 “过剩阀”通常用于控制闪蒸回收系统中的最大压力。如果对闪蒸蒸汽的需求小于可用供应，闪蒸压力将升高，过剩阀将打开以向大气释放任何多余的蒸汽。过剩阀将设置在低于安全阀设定值的压力下运行。重要提示：虽然这允许受控地向大气释放蒸汽，但它不能替代安全阀的需求（如果工厂条件要求的话）。在图 7.3.9 中，PRV 补充高压（HP）冷凝水产生的闪蒸蒸汽的不足，过剩阀将多余的闪蒸蒸汽排放到冷凝器或大气中。安全阀的选型基于 PRV 的满容量加上疏水阀和任何其他进入闪蒸罐来源的容量。