控制阀

本教程简要介绍用于蒸汽和水系统的不同类型直行程和回转式控制阀的基本组件。

《蒸汽和冷凝水回路》第6章考虑控制的实际方面，将第5章讨论的基本控制理论付诸实践。

一个基本的控制系统通常由以下组件组成：

• 控制阀
• 执行机构
• 控制器
• 传感器 所有这些术语都是通用的，每个都包含许多变体和特性。随着技术的进步，单个设备项目及其定义之间的分界线变得越来越不清晰。例如，传统上将阀门调节到其行程范围内特定位置的定位器现在可以：
• 直接从传感器接收输入并提供控制功能。
• 与计算机接口以更改控制功能，并执行诊断程序。
• 修改阀门运动以改变控制阀的特性。
• 与工厂数字通信系统接口。 然而，为了清晰起见，此处将分别考虑每个设备项目。

控制阀

虽然存在各种各样的阀门类型，但本文将重点介绍在蒸汽和其他工业流体自动控制中最广泛使用的那些。包括：

• 具有直行程和回转阀杆运动的阀门类型。
• 直行程类型包括截止阀和闸阀。
• 回转类型包括球阀、蝶阀、旋塞阀及其变体。 首先要做出的选择是在二通阀和三通阀之间。
• 二通阀”节流”（限制）通过它们的流体。
• 三通阀可用于”混合”或”分流”通过它们的液体。

二通阀

截止阀 截止阀经常用于控制应用，因为它们适合节流流量，并且容易被赋予特定的”特性”，将阀门开度与流量相关联。 两种典型的截止阀类型如图6.1.1所示。连接到阀杆的执行机构将提供阀门运动。

截止阀的主要组成部分包括：

• 阀体。
• 阀盖。
• 阀座和阀芯，或阀内件。
• 阀杆（连接到执行机构）。
• 阀杆和阀盖之间的密封结构。 图6.1.2是单座二通截止阀的示意图。在这种情况下，流体流动推压阀芯并倾向于将阀芯推离阀座。

阀门上游（P1）和下游（P2）之间的压力差，阀门必须在此压差下关闭，称为压差（ΔP）。阀门能够关闭的最大压差取决于阀门的尺寸和类型以及操作它的执行机构。

从广义上讲，执行机构所需的力可以使用公式6.1.1确定。

在蒸汽系统中，最大压差通常假设等于上游绝对压力。这考虑了阀门关闭时下游可能出现的真空条件。闭式水系统中的压差为最大泵压差扬程。

如果使用具有较大孔口的较大阀门来通过更大的介质量，那么执行机构为关闭阀门必须产生的力也将增加。当必须使用大型阀门通过非常大的容量，或存在非常高的压差时，将达到无法为关闭常规单座阀提供足够力的地步。在这种情况下，解决此问题的传统方案是双座二通阀。 顾名思义，双座阀在共同的阀杆上有两个阀芯，有两个阀座。阀座不仅可以保持较小（因为有两个），而且如图6.1.3所示，力部分平衡。这意味着虽然压差试图将上阀芯推离其阀座（与单座阀一样），但它也在试图向下推并关闭下阀芯。

然而，任何双座阀都存在潜在问题。由于制造公差和不同的膨胀系数，很少有双座阀能够保证良好的关断紧密度。

关断紧密度

控制阀泄漏按照阀门全关时的泄漏量进行分类。标准双座阀的泄漏率最好为III级（全流量的0.1%泄漏），这可能过大而不适合某些应用。因此，由于两个端口的流道不同，阀门打开时力可能不会保持平衡。 存在各种国际标准来规范控制阀中的泄漏率。以下泄漏率取自英国标准BS 5793第4部分（IEC 60534-4）。对于不平衡标准单座阀，泄漏率通常为IV级（全流量的0.01%），尽管可以获得V级（1.8 x 105 x 压差(bar) x 阀座直径(mm)）。通常，泄漏率越低，成本越高。

平衡单座阀

由于双座阀存在的泄漏问题，当需要紧密关断时应指定单座阀。关闭单座截止阀所需的力随阀门尺寸显著增加。一些阀门设计有平衡机构以减少所需的关闭力，特别是在大压差下运行的阀门。在活塞平衡阀中，一些上游流体压力通过内部通道传递到阀芯上方的空间，该空间充当压力平衡室。该室中包含的压力提供对阀芯的下推力，如图6.1.4所示，平衡上游压力并辅助执行机构施加的正常力以关闭阀门。

闸阀，阀杆操作

闸阀往往有两种不同的设计：楔形闸板型和平行滑动型。两种类型都非常适合隔离流体流动，因为它们能提供紧密关断，当打开时通过它们的压降非常小。两种类型都用作手动操作阀门，但如果需要自动执行，通常选择平行滑动阀，无论是用于隔离还是控制。典型阀门如图6.1.5所示。

平行滑动阀通过两个弹簧加载的滑动盘（弹簧未显示）关闭，它们穿过流体的流道，流体压力确保下游盘与其阀座之间的紧密接合。大尺寸平行滑动阀用于电力和过程工业中的主蒸汽管和给水管线以隔离工厂区域。小口径平行滑动阀也用于辅助蒸汽和水服务的控制，尽管主要是由于成本原因，这些任务通常使用执行的球阀和活塞式阀门来完成。

回转式阀门

回转式阀门，通常称为四分之一转阀，包括旋塞阀、球阀和蝶阀。都需要旋转运动来打开和关闭，并且可以很容易地安装执行机构。

偏心旋塞阀

图6.1.6展示了典型的偏心旋塞阀。这些阀门通常安装时旋塞杆水平，如图所示，连接的执行机构位于阀门旁边。 旋塞阀可能包括旋塞和执行机构之间的连杆以改善杠杆作用和关闭力，以及特殊的定位器，将固有阀门特性修改为更有用的等百分比特性（阀门特性在第6.5章讨论）。

球阀

图6.1.7显示了一个球阀，由位于简单阀体形式中两个密封环之间的球体组成。球体有一个孔允许流体通过。当与管道端口对齐时，这提供全口径或接近全口径的流动，压降非常小。将球体旋转90°即可打开和关闭流道。专门为控制目的设计的球阀将具有特性的球体或阀座，以提供可预测的流量模式。

球阀是为包括温度高达250°C的蒸汽（38 bar g，饱和蒸汽）在内的许多流体提供紧密关断控制的经济手段。在此温度以上，需要特殊的阀座材料或金属对金属阀座，这可能很昂贵。球阀容易执行，常用于远程隔离和控制。对于关键控制应用，可提供分段球和具有特殊形状孔的球体以提供不同的流量特性。

蝶阀

图6.1.8是蝶阀的简单示意图，由在耳轴轴承中旋转的圆盘组成。在打开位置，圆盘平行于管壁，允许全流量通过阀门。在关闭位置，它旋转靠在阀座上，垂直于管壁。

传统上，蝶阀受限于低压和高温，由于所用软阀座的固有局限性。目前，具有较高温度阀座或高质量和专门加工的金属对金属阀座的阀门可用来克服这些缺点。标准蝶阀现在用于简单的控制应用，特别是在较大尺寸和需要有限调节比的场合。

特殊蝶阀可用于更苛刻的工作。 流体通过蝶阀时产生低压降，因为阀门打开时对流动的阻力很小。然而一般来说，它们的压差限值低于截止阀。球阀类似，但由于其不同的密封结构，它们可以比等效蝶阀承受更高的压差。

选项

选择控制阀时总有一些选项需要考虑。对于截止阀，包括阀杆填料材料和填料结构的选择，这些设计使阀门适合用于更高温度或不同流体。其中一些示例可以在图6.1.9的简单示意图中看到。值得注意的是，某些类型的填料与阀杆产生的摩擦力比其他类型更大。例如，传统的填料函型填料比PTFE弹簧加载V型填料或波纹管密封型产生更大的摩擦力。更大的摩擦力需要更高的执行机构力，并且具有增加随机运动的倾向。 弹簧加载填料在磨损时会自动重新调整。这减少了定期手动维护的需要。波纹管密封阀是这三种类型中最贵的，但摩擦最小，具有最佳的阀杆密封机构。如图6.1.9所示，波纹管密封阀通常在阀杆壳体顶部有另一套传统填料。这将作为防止通过阀杆泄漏到大气的最后一道防线。

阀门还具有不同的方式在阀体内引导阀芯。一种常见的引导方法，如图6.1.10所示，是”双引导”方法，其中阀杆在其长度的顶部和底部都被引导。另一种类型是”引导阀芯”方法，其中阀芯可以由笼架或框架引导。一些阀门可以采用多孔阀芯，将阀芯引导和降噪结合在一起。

用于自动控制的二通阀总结

到目前为止，用于蒸汽过程和应用自动控制的最广泛使用的阀门类型是截止阀。它相对容易执行，用途多样，并且具有非常适合蒸汽自动控制需求的固有特性。 还应该说，二通自动控制阀也用于液体系统，如低温、中温和高温热水系统以及导热油系统。液体系统在质量流量平衡方面具有固有的需求。在许多情况下，系统设计为可以在不破坏分配网络平衡的情况下使用二通阀。 然而，当二通阀不能用于液体系统时，安装三通阀，它们通过以分流或混合方式运作，固有地维持分配系统的平衡。

三通阀

三通阀可用于混合或分流服务，取决于阀内阀芯和阀座的布置。每种功能的简单定义如图6.1.11所示。

活塞阀

此类阀门具有中空活塞（图6.1.12），由执行机构上下移动，覆盖并相应地打开端口A和B。端口A和端口B具有相同的总流体通过面积，在任何时候，两者的累积横截面积始终相等。例如，如果端口A 30%打开，则端口B 70%打开，反之亦然。这类阀门固有平衡，由自作用控制系统驱动。注意：端口配置可能因制造商而异。

截止式三通阀（也称为’升降式’）

在这里，执行机构将圆盘或一对阀芯推入两个阀座之间（图6.1.13），以相应方式增加或减少通过端口A和B的流量。

注意：线性特性通过阀芯裙部的轮廓实现（见图6.1.14）。

旋转滑块三通阀

此类阀门采用旋转滑块，在端口面上往返移动。图6.1.15中的示意图展示了一个混合应用，约80%通过端口A流动，20%通过端口B流动，100%从端口AB排出。

三通阀的使用

并非所有类型都可以同时用于混合和分流服务。图6.1.16显示了制造为混合阀但用作分流阀的截止阀的不正确应用。

通过端口AB进入阀门的流体可以从两个出口端口A或B中的任何一个离开，或者每个端口各离开一部分。当端口A打开而端口B关闭时，系统的压差将施加在阀芯的一侧。

当端口A关闭时，端口B打开，压差将施加在阀芯的另一侧。在某个中间阀芯位置，压差将反转。这种压力反转可能导致阀芯移位，造成控制不良和阀芯在阀座上”颤振”产生噪音。 为了解决分流阀设计中阀芯型阀门的此问题，使用了不同的阀座配置，如图6.1.17所示。在这里，压差始终均等地施加在两个阀芯的同一侧。

在闭式回路中，可以使用混合阀或分流阀，取决于系统设计，如图6.1.18和6.1.19所示。

在图6.1.18中，阀门设计为混合阀，因为它有两个入口和一个出口。然而，当安装在负荷的回水管路中时，它实际上执行分流功能，因为它将热水从换热器分流出去。

考虑图6.1.18中使用的混合阀，当换热器需要最大热量时（也许在启动时），端口A将完全打开，端口B完全关闭。从锅炉流出的全部水通过换热器并通过端口AB和A流经阀门。当热负荷满足时，端口A将完全关闭，端口B完全打开，从锅炉流出的全部水旁通负荷并通过端口AB和B流经阀门。从这个意义上讲，水相对于热负荷需求从换热器被分流出去。

通过在流体管路中安装分流阀可以实现相同的效果，如图6.1.19所示。