Особенности и критерии выбора различных многоступенчатых регулирующих клапанов для снижения давления

Thread Content

Особенности и способы выбора регулирующих клапанов с множественными ступенями снижения давления. Представлено систематическое описание распространенных типов конструкций регулирующих клапанов с множественными ступенями снижения давления и их особенностей. В данном тексте приводится обзор распространенных методов, с помощью которых пользователи могут рассчитать значение параметра CV регулирующего клапана с учетом особых условий работы с сжимаемыми средами. Это поможет пользователям лучше понять особенности многоступенчатых регулирующих клапанов для снижения давления и выбрать их правильно. I. Введение. В процессе современного промышленного производства регулирующие клапаны представляют собой устройства, используемые в системах управления для изменения расхода жидкости в трубопроводах. Они являются элементами окончательного управления в трубопроводных сетях и выполняют важные функции, такие как распределение жидкости и регулирование её расхода. В последние годы, благодаря постоянному развитию промышленных технологий, особые условия производства, такие как высокая температура и высокое давление, ставят ещё более строгие требования к регулирующим клапанам. Особенно регулирующие клапаны, используемые в условиях высокой разницы давлений, из-за высокой скорости потока часто подвергаются эрозии в области внутренних элементов, регулирующих поток. Кроме того, возникают такие проблемы, как кавитация, шум и вибрации, что создает серьезные угрозы для безопасной эксплуатации. Поэтому некоторые отечественные и зарубежные производители разработали регулирующие клапаны с многоступенчатой структурой понижения давления, предназначенные для использования в условиях высокой разницы давлений. В данной статье по отдельности рассматриваются конструкция, принцип работы и особенности различных распространенных многоступенчатых регулирующих клапанов для снижения давления. Кроме того, для сжимаемых режимов работы приведен обзор распространенных методов, с помощью которых пользователи могут рассчитать значение регулирующего клапана CV в соответствии с требуемым расходом. Это служит справочным материалом для пользователей, помогающим ознакомиться с характеристиками регулирующих клапанов с множественной ступенью понижения давления и выбрать их правильно. II. Распространенные типы и характеристики многоступенчатых регулирующих клапанов с понижением давления. Основной причиной явления кавитации, возникающего в регулирующем клапане, является чрезмерная разница давлений перед и после клапана. Считается, что при Δp > 2,5 МПа давление жидкости внутри клапана на участке сужения резко падает; минимальное давление достигается в точке с наименьшей площадью поперечного сечения потока. Когда это давление становится ниже насыщенного парового давления жидкости при данной температуре, часть жидкости начинает испаряться, образуя множество крошечных пузырьков пара. Когда давление при прохождении жидкости через узкий участок снова повышается, эти пузырьки лопаются и возвращаются в жидкое состояние. Это создает нагрузку на корпус клапана и его элементы, а также приводит к появлению шума и вибраций. В последние годы некоторые отечественные и зарубежные производители регулирующих клапанов разработали различные типы многоступенчатых регулирующих клапанов с защитой от кавитации, предназначенных для использования в экстремальных условиях. Обычно многоступенчатые регулирующие клапаны понижения давления делятся на три типа. Несмотря на различия в конструкции, у них одинаковый принцип действия: путем изменения конструкции общее перепадное давление разделяется на несколько ступеней; при этом перепад давления на каждой ступени Δp1 оказывается меньше критического значения, при котором возникает кавитация. Это позволяет эффективно предотвратить такие негативные явления, как кавитация. 1. Регулирующий клапан с каскадной структурой. Каскадная многоступенчатая структура снижения давления показана на рисунке 1. В этой конструкции единая зона сужения потока делится на несколько отдельных зон, соединенных между собой последовательно. Благодаря этому большая разница давлений преобразуется в несколько меньших различий давлений. Таким образом, уровень снижения давления всегда остается выше давления насыщенного пара, что предотвращает возникновение явления кавитации. Рисунок 1. Каскадный регулирующий клапан. Каскадные регулирующие клапаны часто используются в системах, работающих с жидкостями. Их особенности заключаются в следующем: 1) в процессе открытия и закрытия клапана удается снизить постоянное давление. Действие каждого уровня регулирования происходит с задержкой по отношению к предыдущему уровню, что позволяет постепенно снижать высокое давление, действующее на клапан во время его открытия и закрытия, тем самым снижая нагрузку на первый уровень регулирования. 2) Низкое сопротивление потоку, что позволяет использовать его в ситуациях, когда чистота жидкости невысока, а также при двухфазных потоках твердых и жидких веществ. 3) В корпусах клапанов с каскадной конструкцией обычно применяется термообработка покрытием из титановой карбидной стали, что обеспечивает хорошую устойчивость к эрозии и аэроэрозии. 4) Процесс производства по сравнению с другими многоступенчатыми клапанами для регулировки давления более прост, его легко обрабатывать, а стоимость производства также ниже. 5) У регулирующих клапанов с последовательной системой регулирования обычно ограниченное количество ступеней снижения давления — 3–4 ступени, поэтому их нельзя использовать в ситуациях с слишком большой разницей давлений. 2. Регулирующий клапан с многокомпонентной втулкой. Структура с множественными ступенями снижения давления, имеющая многокомпонентную втулку, показана на рисунке 2; такие клапаны часто используются на электростанциях и в химической промышленности. Рисунок 2. Регулирующий клапан с множественными втулками. Характерной особенностью конструкции регулирующего клапана с множественными втулками является то, что элементы, обеспечивающие регулировку потока, состоят из нескольких слоев втулок с просверленными в них отверстиями. Между каждыми слоями втулок имеется определенный зазор, что позволяет жидкости проходить через втулки более плавно, тем самым контролируя скорость ее потока в определенных пределах. Его особенности заключаются в следующем: 1) количество ступеней регулирования в многоступенчатом втулочном клапане может быть довольно большим, что обеспечивает более высокую способность к снижению давления по сравнению с клапанами с последовательной компенсацией; такой клапан может использоваться в условиях высоких различий давлений. 2) Многослойная втулочная конструкция позволяет удовлетворить высокие требования к падению давления, при этом обеспечивая большой расход жидкости во время работы. 3) Хорошие свойства против кавитации: при использовании с жидкостными средами поток течет от самого внешнего слоя оболочки к самому внутреннему. В оболочке давление жидкости постепенно снижается, что способствует снижению риска возникновения кавитации. В конце концов поток вытекает через маленькие отверстия во внутренней оболочке в область центральной камеры клапана, где пузыри лопаются, не нанося прямого ущерба металлической поверхности клапана. 4) Хорошие характеристики по защите от шума и вибраций. При использовании с газовым средством поток проходит от внутренней части втулки наружу; диаметры отверстий и зазоров во внешней части втулки больше, чем во внутренней, что позволяет газовому средству постоянно расширяться в процессе постепенного снижения давления. Это способствует эффективному снижению воздействия шума и вибраций. 5) Процесс обработки втулок довольно сложен, а затраты на него высоки. Но его установка и обслуживание просты, а замена — легка. 3. Регулирующий клапан-лабиринт. Структура многоступенчатого снижения давления с использованием лабиринтных дисков показана на рисунке 3. Основная часть клапана, отвечающая за регулировку потока, состоит из нескольких металлических дисков, на которых имеются лабиринтные канавки. При прохождении через лабиринтные каналы поток жидкости подвергается множеству столкновений и изгибов, в результате чего теряет энергию. Параллельно с постепенным снижением давления контролируется и скорость потока. Рисунок 3. Лабиринтный регулирующий клапан. Обычно используется в таких отраслях, как ядерная энергетика и электростанции, в условиях высокой температуры и давления. В качестве рабочей среды чаще всего используется перегретый пар; клапан также может применяться с жидкостями в качестве рабочей среды. Его особенности следующие. 1) Количество поворотов в лабиринтном канале соответствует количеству ступеней понижения давления в лабиринтном регулирующем клапане; обычно это число составляет от десяти до двадцати. Поэтому лабиринтная многоступенчатая конструкция понижения давления является наиболее эффективной среди распространенных многоступенчатых регулирующих клапанов с понижением давления. Существуют зарубежные образцы, способные выдерживать давление до 40 МПа. 2) Отличная стойкость к аэроэрозии, а также способность снижать уровень шума и вибраций. Многоступенчатая конструкция с лабиринтными каналами позволяет эффективно контролировать скорость потока жидкости, тем самым предотвращая возникновение таких негативных явлений, как кавитация, шум и вибрации. 3) Благодаря комбинированию лабиринтных дисков различных форм, лабиринтные регулирующие клапаны могут обеспечивать различные кривые регулировки расхода. 4) Требования к точности изготовления лабиринтных дисков очень высоки; их обычно изготавливают путем нанесения слоя сплава Стэйли, что обеспечивает длительный срок службы ； Установка и обслуживание довольно просты, диски легко заменять. 5) Лабиринтные каналы предъявляют высокие требования к чистоте рабочей среды; в противном случае они могут легко забиваться. III. Расчет значения CV многоступенчатого регулирующего клапана с понижением давления. Коэффициент расхода (CV) обычно используется для указания способности клапана к пропуску жидкости. Для выбора подходящего регулирующего клапана необходимо рассчитать соответствующее значение CV исходя из условий эксплуатации, а затем выбрать модель клапана, соответствующую этому коэффициенту расхода. В условиях сжимаемости при сужении потока давление жидкости снижается, объем увеличивается, а плотность — уменьшается. Процесс течения жидкости в клапане в таких условиях гораздо более сложен, чем при несжимаемости. Поэтому для многоступенчатых регулирующих клапанов, которые обычно используются в условиях сжимаемости потока, способ расчета коэффициента расхода также является особым. В типичных условиях сжимаемости для расчета значения CV применяются два основных метода: метод коэффициента сжатия и метод коэффициента расширения. 1. Метод коэффициента сжатия. Метод коэффициента сжатия был предложен в СССР в 1950-х годах и является одной из первых формул для расчета коэффициента расхода в условиях сжимаемости. Метод коэффициента сжатия учитывает сжимаемость газа путем добавления к общим формулам для жидкостей коэффициента сжатия газа ε для корректировки этих формул. Этот метод значительно упрощает расчетную модель: все виды регулирующих клапанов заменяются на одинаковые форсунки для регулирования потока. При этом считается, что процесс движения газовой среды во форсунке является адиабатическим. Затем с помощью уравнения баланса энергии выводится формула для расчетов, а именно: (1) Где γN – плотность газа при стандартных условиях, измеряемая в единицах кгф/м³ (1 кгф = 9,8 Н) ； Q — объемный расход при стандартных условиях, единица измерения — м³/ч ； T — температура газа, единица измерения — К ； p1 — давление перед клапаном, единица измерения — кгф/м² (1 кгф = 9,8 Н) ； ∆p — разница давлений перед и после клапана, единица измерения — кгс/м². Коэффициент сжатия ε можно определить с помощью экспериментов; для воздуха обычно получается следующее значение: (2) Помимо метода коэффициента сжатия, ранее использовались также методы, основанные на измерении плотности перед клапаном, плотности после клапана и средней плотности. Ранние формулы могли применяться только в случаях, когда степень восстановления давления была невелика; в зоне некритического потока они обеспечивали хорошую точность расчетов. Однако из-за упрощения расчетной модели формулой при увеличении ∆p/p1 до критического соотношения давлений возникают значительные ошибки, и в переходной и критической зонах требования не могут быть выполнены. 2. Метод коэффициента расширения. Поскольку в ранних формулах не учитывалось влияние свойств возврата давления у клапанов на результаты расчетов, в 1970-х годах некоторые зарубежные производители предложили ряд более совершенных формул, таких как метод коэффициента расширения, полиномиальный метод и синусоидальный метод. Эти формулы позволили улучшить точность расчетов в диапазоне от некритических до критических условий. По сравнению с ранними формулами, результаты расчетов с использованием более поздних формул, представленных методом коэффициента расширения, более экономичны, что позволяет избежать ненужных трат. Среди них метод коэффициента теплового расширения рекомендован IEC в качестве стандартной формулы благодаря простоте его расчета. Метод коэффициента расширения получен путем внесения коррекции с использованием коэффициента расширения Y в формулы, применяемые для жидкостей; при Y = 1 этот метод также применим к непроницаемым жидкостям. (3) В формуле ρN — плотность газа при стандартных условиях, единица измерения — кг/м³ ； Q — объемный расход при стандартных условиях, единица измерения — м³/ч ； T1 — температура входящего газа, единица измерения — К ； p1 — давление перед клапаном, в кПа ； X — коэффициент разницы давлений, X = ∆p/p1 ； Z — коэффициент сжатия. Коэффициент расширения Y представляет собой отношение коэффициента расхода сжимаемой среды к коэффициенту расхода несжимаемой среды при одинаковом числе Рейнольдса. Он показывает изменение плотности жидкости при её потоке от входа в клапан к участку с наименьшей площадью прохождения потока — сужающемуся сечению, а также изменение площади этого сужающегося сечения при изменении разницы давлений. (4) В формуле FK — коэффициент коэффициента теплоемкости, FK = K/1,4. Поскольку сами формулы расчета не учитывают фактическую плотность жидкости при наличии определенных условий в верхнем течении, метод коэффициента расширения вводит коэффициент сжатия Z для компенсации отклонений между реальным газом и идеальным газом в некоторых условиях. Коэффициент расширения Y используется для коррекции изменений плотности газа от входа в клапан до горловины. На значение Y влияют такие факторы, как соотношение площади горловины к площади входа, форма канала, соотношение давлений X, число Рейнольдса, а также коэффициент удельной теплоемкости FK. Метод коэффициента расширения учитывает множество факторов, влияющих на поток сжимаемой жидкости, поэтому позволяет обеспечить высокую точность расчетов во всем диапазоне потока. Он применим к различным типам клапанов и находит широкое применение. IV. Заключение. Многоступенчатые регулирующие клапаны снижения давления, применяемые в условиях больших различий давлений, являются ключевыми устройствами в системах трубопроводов и играют чрезвычайно важную роль в процессе управления. В данной статье систематически рассматриваются принципы работы, основная конструкция, особенности и сферы применения трех наиболее распространенных типов многоступенчатых регулирующих клапанов для снижения давления. Это поможет пользователям ознакомиться с основными типами и характеристиками таких клапанов. Кроме того, поскольку регулирующие клапаны с многоступенчатой системой снижения давления часто используются в условиях компрессибельных потоков, в данной статье также приводятся обобщения и краткое описание типичных методов расчета коэффициента расхода в таких условиях. Это позволяет пользователям выбирать подходящий по модели регулирующий клапан, опираясь на правильные методы расчета. В целом, данная статья служит определенным справочным материалом для пользователей, помогая им понять особенности многоступенчатых регулирующих клапанов по понижению давления, предназначенных для условий с большой разницей давлений, и правильно их выбирать.