气动控制阀的耗气量及储气罐设计分析
来源:哲成阀门 作者:www.zczkvalve.com 发布时间:2014-6-18 阅读:
  

   在分析气动控制阀仪表气源配置时,需了解各台控制阀的耗气量及控制阀自带储气罐容积的计算方法。目前,石化行业控制阀的耗气量通常遵循化工行业标准《仪表供气设计规定》中总耗气量估算方法和汇总计算法,但规范中也未明确各台气动控制阀的耗气量计算方法。在控制阀自带储气罐的容积选择时,由于活塞执行结构的大小不同,储气罐的容积应有多种标准规格,给出了两种推荐储气罐容积。

   笔者从控制阀原理的角度,针对控制阀的耗气因素及动作状态,分析计算出控制阀的耗气量,并以一典型配备储气罐的控制阀为例,分析提出如何选择储气罐的容积。

    1 气动控制阀的分类

    气动控制阀按应用场合不同可分为两大类:在过程参数控制中作为调节用的控制阀,简称调节阀,通常采用气动薄膜式或气缸式执行机构,配备阀门定位器;在程控及联锁控制中作为开关用的切断阀,简称开关阀,通常采用气缸式执行机构,配备电磁阀

    常用的气动执行机构又可分为两类:薄膜执行机构,通常接受0.02~0.10MPa的标准压力信号,当压力进入薄膜气室时,使执行机构内推杆部件移动,并带动弹簧单向动作,具有结构简单、动作可靠、维修方便等特点;活塞式执行机构,气缸允许操作压力较大,可达0.5MPa,适用于需要执行机构较大推力的场合。活塞式执行机构根据结构不同可分为正作用弹簧式活塞执行机构和双作用无弹簧式执行机构,根据阀门的开关时间要求、阀门的气源故障状态等因素,在选择气动控制阀时,会考虑控制阀附件的选择,如气动加速器、电磁阀、储气罐、气控阀等附件。

    2 气动控制阀的耗气

    2.1 调节阀的耗气

    对于调节阀,气动执行机构静态时理论上不耗气,在稳态情况下,由于执行机构相对密闭,调节阀的耗气主要在电气阀门定位器的放大器加内部喷嘴挡板排气动作上。当然,对于某些工艺需要提高执行机构动作速度、减少滞后时间的场合,或者调节器输出信号传递距离很远、执行机构容量较大的场合,调节阀需另外配备气动加速器,气动加速器的排气状态也是调节阀耗气的一个原因。另外,调节阀的耗气量还需要考虑供气管线、执行机构、减压阀的空气泄漏量。

    电气阀门定位器的动态耗气量可查阅产品样本,对于气动薄膜执行机构,目前进口智能阀门定位器在供气压力140kPa时,动态耗气量大部分不会大于0.4m3/h。国内制造厂生产的定位器稳态耗气量相对较大:重庆川仪的HVP11智能定位器在供气压力140~500kPa时,动态耗气量约为0.12m3/h;吴忠仪表HEP智能定位器在供气压力140~700kPa时,动态耗气量约为0.3m3/h;徐州阿卡的ZPD3000定位器在供气压力140~250kPa时,动态耗气量约为0.45m3/h。对于气动活塞式执行机构,特别是双作用形式的,其配备的智能电气阀门定位器的动态耗气量比薄膜式大很多倍。如徐州阿卡的ZPD3211定位器在供气压力550kPa时,动态耗气量就达到了3.6m3/h;当采用非智能型的电气阀门定位器时,如普通产品ZPD-01定位器在供气压力140~250kPa时,动态耗气量约为1.5m3/h。

    气动加速器的耗气量及阀门附件、管线的空气泄漏量相比电气阀门定位器较小,如重庆川仪的VF01在供气压力140~700kPa时,耗气量约为0.09m3/h。

    此外,供气压力也可能对阀门组件的动态性能产生很大的影响,它能显著影响供应给执行机构的空气量,并能显著地影响定位器的增益和总耗气量。

    2.2 开关阀的耗气

    开关阀的耗气较为复杂,其主要是通过控制外部气源的通断来控制阀门的开关状态,气源压力的大小决定阀门的开关速度,其耗气量的大小与阀门所配置的气动执行器的大小有关,气动执行机构越大,其消耗的气量也越多。气动执行器有单作用和双作用之分,因而实现开关转换时耗气量也有所不同。总的来说,开关阀的耗气主要在电磁阀的励磁状态带动排气动作上。

    开关阀的耗气量取决于供气压力、开关行程、气缸体积及动作次数,对于双作用活塞执行机构,具体计算见下式:

        (1)

    对于单作用活塞执行机构,具体计算见下式:

        (2)

    式中:qVs———开关阀耗气量(标准状况),m3/h;Vo———气缸开向容积,m3;Vc———气缸关向容积,m3;p1———供气压力,kPa;V1———活塞容积,m3;n———每小时动作次数(活塞往复动作为一次),次数/h。

    对于气缸的容积,根据阀门的口径、关闭压差、执行机构的输出力及行程等参数进行选择,表1列出国内某制造厂几种不同口径的双作用气缸容积大小及计算出的耗气量。

表1 气缸容积及耗气量

    3 储气罐的容积

    对于无弹簧式执行机构,为实现控制阀的气开、气关动作,需另外配备储气罐等附件。储气罐在供气压力失去时给执行机构提供负载压力,这样可以把活塞移至需要的位置,当供气压力恢复正常时,自动操作将继续,而且储气罐会被重新充气。因此,在选择气动控制阀的储气罐时,需要了解储气罐容积的计算方法。

    储气罐内的容积、压力变化应保证活塞执行机构的正常动作及仪表气源的供给,因而在气源故障时活塞执行机构全行程动作1次的情况下,根据伯努利方程可以推导出储气罐的容积计算公式:

        (3)

    式中:VT———储气罐体积,m3;pT———储气罐内正常压力,kPa;pC———活塞最小动作压力,kPa;Vp———配管容积,m3

    带三通气控阀的双作用活塞执行机构开关阀的气动管路如图1所示,笔者以该气动管路为例,分析得到储气罐的容积。

图1 双作用执行机构的开关阀气动管路示意

    该气动管路的工作原理:在正常工作时,电磁阀V1,三通气控阀V2/V3均为气源进气方向1,2通;当气源故障时,三通气控阀V2/V3均为2,3通;当联锁控制信号作用电磁阀时,电磁阀V1及三通气控阀V2/V3均为2,3通,储气罐供气。常用的几种气源配管的容积Vp见表2所列。

表2 气源管容积

    由于气源管容积相对于气缸的容积较小,在选择Φ12×1气源管,并且储气罐内正常压力为500kPa时,计算出的储气罐容积见表3所列。

表3 储气罐容积


    注:1)根据需求特殊定制。

    目前在国内使用的控制阀,储气罐制造和检验应遵循国内标准TSG R0003—2007《简单压力容器安全技术监察规程》,许多阀门制造厂一般向压力容器生产厂家外购储气罐,给出了两种推荐的储气罐容积:40L和65L,便于设计时选择标准的储气罐容积。

    从表3的数据可以看出在气源故障时活塞执行机构全行程动作1次情况下,储气罐的容积一般为气缸容积的2~4倍左右,在气源故障时,工艺若需要阀门的动作次数越多,则储气罐的体积会更大。但是总的来说气动控制阀储气罐的容积并不能显著地影响表气源装置的容积。

    4 结束语

    从上述的分析可以得到影响气动控制阀的耗气因素众多,如定位器、执行机构的选择、执行机构的动作频繁程度、控制阀附件的选择等因素。降低气动控制阀的耗气量的措施也有很多,例如通过增加减压阀降低系统的压力,减少管道上漏气消耗,或者选择耗气量小的定位器、减少执行机构的气缸容积等方法。因此,在设计控制阀耗气量时应根据气动控制阀的数量及每台气动控制阀的耗气量进行计算,合理地选择阀门配备的储气罐,避免导致气动控制阀在动作时因气量不足影响阀门的动作时间和动作速度,并直接影响到项目仪表气源装置的容积,影响节能及经济投资。

本文Tag:气动控制阀、耗气量、储气罐、设计
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