秦杰
艾尔柯瑞特(中国)有限公司上海分公司 上海市 200120
摘要:本文围绕浙江某蒸压加气混凝土生产线为蒸养工段的蒸压釜装置控制阀进行选型。根据产能要求项目共配置九条直径为3米,长度为38米的蒸压釜,每条蒸压釜配置进气,倒气,排气及真空4条管路,其中,进气、倒气及排气管段为了精准控制蒸汽流量故配置了控制阀,本文控制阀控制方式及阀芯形式选型进行了讨论。
关键词:执行器、流量、选型、PLC
引言
流体控制单元主要由管道,接头,法兰,阀门等元器件组成,其中,阀门是所有元器件中结构最为复杂,占比最大的一个部件。
阀门根据结构划分主要分为球阀,针型阀,蝶阀,闸阀,截止阀。按功能可分为开关阀,止回阀与节流阀。按使用工况可分为通用工况,特殊工况与严酷工况。按照阀门的开口尺寸可将阀门分为全开口阀门与缩口阀门。同时根据控制方式的不同又可分为气动控制阀门与电动控制阀门。阀门又可根据工作压力分为低压阀门,中压阀门,高压阀门与超高压阀门。根据不同工况阀门材质也有不同的选择,工业中通常采用的材质为不锈钢、铸钢、铜或其他特殊合金钢。
阀门主要功能是通过改变阀门开度大小从而实现对管道流体流量的控制。由于阀门是管路系统中最为重要的一个元器件,故阀门的工作性能直接关系到整个系统的效率,所以根据不同的工况选择相应的阀门是管道工程中非常重要的一环。
阀门的选型一般要考虑使用工况,如:介质,介质流量,操作压力等,同时还要考虑到阀门的安装与维护。
1 项目概况
某蒸压加气混凝土项目需要为现场9条蒸压釜蒸汽管道选用控制阀,主要工艺流程如下图所示。
图1 蒸压釜工作工艺过程
蒸压釜内高压蒸汽循环过程主要分为4个循环,首先,蒸压釜在真空状态下由大气压在20分钟内升压到0.2bra,锅炉新鲜蒸汽通过管路直接进入蒸压釜内使蒸压釜开始作业,在经过将近75min钟的逐渐升温升压使釜内压力达到13bar,经过10-12hrs的保温保压后,将13bar的蒸汽气体通过倒气阀排入到2#蒸压釜,最终釜内余气通过余气阀排出。
2 计算选型
概述:在蒸压釜升温阶段需要大量的蒸汽,首先需要计算在升温阶段供需要多少的蒸汽量,计算基于以下数据(基于本项目条件):最少升温时间75min,预热过的蒸压釜。
2.1 进气阀选型
进气阀是安装在连接锅炉与蒸压釜主管道上用来控制锅炉蒸汽输送到蒸压釜蒸汽流量,选型基于蒸汽的压降和流速。
2.1.1 管径选择
初步选择蒸压釜主管道为DN125,根据流速计算公式:流速(m/s)=[体积流量(m3/h)/管道截面积(m2)]/3600,计算得出管道流速为44.8m/s,[13000/[(125/2/100)2*3.14)]/3600],流体管道流速超过推荐最大流速40m/s,因此根据管道流速与管口的线性关系决定将管口由DN125扩大到DN150,为了验证DN150是否合适,通过上诉流速计算公式得出,蒸汽在管道内流速为34.8m/s,满足要求,故最终确定主蒸汽管道口径为DN150。
2.1.2 进气阀阀门形式确定
1)阀门连接方式:常用的阀门连接形式有螺纹和法兰,螺纹连接阀门适用于口径在Φ50mm以下的管道,方便拆卸,但是如果口径过大连接处的密封性会下降且安装拆卸不方便故根据工况及介质最终决定为法兰连接。
2)阀门材质选择:阀门材质选择主要涉及阀门的壳体,内件和密封面材质。材质的选择要根据介质的物理性能如温度、压力及化学性能如腐蚀性,还需要考虑介质内是否有杂质,也就是说要考虑介质的清洁程度,综合考虑造价成本最终确认阀门形式。
根据现场工况,介质为清洁高压蒸汽,无腐蚀性,考虑综合本,推荐阀体选用铸铁材质,阀芯选用304+STL,保证阀芯的耐磨性,考虑到介质温度较高,建议泄露等级为IV级。
3)阀门形式确定:根据工况特点,建议进气阀选择钻孔套筒调节阀。流体主要由特殊钻孔的套筒调节,套筒为阀芯提供全行程连续导向。特殊设计的阀芯能够减小最小可调节流量及阀芯侵蚀,提高阀门的可调比,与一般窗口套筒阀芯相比,钻孔套筒阀压力恢复系数高,能够在可压缩流体场合下保证高流量及降低液体场合的气蚀的风险和效应。
图3 阀门Cv值性能曲线
基于上述理论数据,蒸压釜进气阀最终确认选型为钻孔套筒式重型笼式调节阀。
2.2 余气阀选型
根据上述数据可以看出,在最小工况下,阀门行程要达到128%才可将釜内蒸汽排光,为了解决上述问题,首先考虑扩大管径,将管径由DN150扩大到DN200,通过计算得到Kv值为400m3/h(Cv346),可以满足上述工况;为了给业主方更多的选择,同时提供了第二套方案,增加一台同样的DN150的三偏心控制蝶阀,相对于截止阀来讲,蝶阀体积小,节约空间;重量轻方便安装;结构简单(结构如图5所示),流通性好,利于成本控制,综上所述,倾向于业主推荐业主选择第二套方案。
图5 三偏心蝶阀结构
2.3 倒气阀选型
为了节约能源的损耗,考虑将已完成蒸养的釜内的蒸汽输送到备养釜内,考虑时间为70min完成蒸汽的输送,流量考虑5000kg/h,通过上述计算公式得出DN100管内流速为26.7m/s,小于推荐流速,满足要求,通过对Kv值的计算,验证DN100的阀门满足要求,工艺条件和选型数据如表2所示。
3 执行器选型建议
气动执行器与电动执行器的差别:
(1)驱动方式的不同,电动执行器的驱动方式为380V电源(国内一般电压为380V),而气动执行器的驱动源为压缩空气;
(2)结构不同,电动执行器一般由电动马达,电气元器件,智能控制模块等组成,而气动马达则主要有气缸等元器件组成。气动执行器的推力在相同工况下要小于电动执行。所以气动执行器的外形尺寸比电动执行器要小巧些。
以余气阀为例,基于阀门的选型数据需要配置电动执行器的推力为30000 N,计算公式如下:
,故得出阀杆需要推力为752*3.14*1.35=23844N,一般情况下,电动执行器推力要考虑在阀杆推力的基础上乘以1.3的系数。
如果是从安全性能考虑,气动马达的安全性能更高些,但是考虑到采购成本及后续的维护成本不建议客户选用气动马达。
4 关于电动头最大启动频率
现场提出疑问,因为增压阀前期需要快速进气故前15分钟需要高频运作,达到450次的起闭频率。如图6所示,理论上在S4-25%工作制下电机的启动频率为1200次/hr,但是一般建议使用频率为600次/hr,也就是没分钟10次,因为高频动作电机可能会出现提前过热的情况。
图7 接线方式
电动执行器远程控制可接收4-20mA模拟量信号,用于DCS系统手动或自动控制,控制原理如图8所示。
图8 控制原理
6 结束语
阀门是管道系统中相对复杂的元器件且也是成本占比相对较高的一个元器件,阀门形式繁多,按操作方式有手动,电动,气动等,如果用在防爆区域,还需考虑电动装置的防爆。在实际应用,操作频率和介质的因素上,要保证阀门的安全可靠,确保阀门无泄漏。
合理的选择阀门,注意费用控制,保证阀门的安全运行,对项目的运营非常的重要。
参考文献:
[1] GB/T12233-2006通用阀门铁质截止阀与升降式止回阀[S].
[2] 陆培文, 洪孰成. 阀门设计计算手册[M]. 北京: 中国机械出版社, 2009.
[3] 成大先. 机械手册第六版[M]. 北京: 化学工业出版社, 2017.
[4] HG/T20592-2009化工部钢制法兰标准[S].
姓名:秦杰,出生年月:(19900201),性别:女,籍贯:江苏徐州沛县, 职位:项目工程师,职称:机械设计与制造工程师中级职称,工程学学位,研究方向:流体传动与控制技术