作 者： 邱宏军 张乃波
摘 要： 介绍了调节阀在型线设计过程中，可以通过计算公式求得在每个开度下的压差，论述了如何将调节阀在最小开度下的节流面积融合在总面积之中，使调节阀的特性曲线更趋于合理。
1 概述
锅炉给水自动调节系统是锅炉基本调节系统之一，它是控制锅炉汽包水位，确保锅炉安全运行的一个不可缺少的调节系统。给水调节阀是锅炉给水自动调节系统中的一个重要的部件，它的性能直接影响到调节系统工作的可靠性和自动化的程度。由于在不同锅炉上的调节阀，在调节过程中压差变化也会不同，如使用定速泵和变速泵，其在启动过程中，系统压差相差几倍或十几倍，这样，要用一种标准型线满足所有工况条件是不可能的。因此，除了考虑高压差的合理分配外，对于调节阀性能的优劣更是取决于其节流件型线的设计，是否与调节过程中因负荷变化，压差随之变化而相适应。根据研究确定，只要在设计节流件时，准确的把调节过程中压差变化范围和型线计算结合在一起考虑，就可以得到一种比较趋于合理的设计。
2 型线计算公式
调节阀节流件的型线设计，是指把调节阀的流通面积，按照一定的比例（直线、等百分比、抛物线等）分配到各个行程上的设计中去，这种比例就是要使调节阀在调节过程中和变化的压差相适应，而使调节阀在预定的操作条件下（图1），使通过它的流量与它的行程具有相对均匀的稳定性，而保证相对流量和相对行程的关系在直角坐标系内为一条直线。其比例关系式为
在调节阀的调节过程中，大多数情况下给水温度不会发生较大的变化，其密度也不会受到压力变化的影响，可以假定γi=γmax，如果假设F1=γiFi、F=γmaxFmax，则式（7）可以化简为
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式中F1———调节阀在任意开度下的有限流通截面积，m2
F———调节阀在全开度下的流通截面积，m2
调节阀在连续调节过程中，当压差由Δpi变化到Δpmax时，使调节阀的工作特性保持在线性状态下，式（8）为在任意开度下的有效流通截面积的计算公式。而当Δpi=Δpmax时，式（8）为定压差下（在变速泵）调节阀运行时在任意开度下的流通截面积计算公式。
在运用式（8）时，其最大压差Δpmax是由用户给定，F1按式（6）计算，调节比R按系统调节的要求选定，相对行程l/L由设计决定，而Δpi则根据机组启动方式和锅炉给水方式选用。
3 调节阀压差
调节阀的压差，特别是在每个开度下的压差，是设计调节阀流通面积的一个重要的数据。一个准确的压差数据，是决定调节阀调节性能能否满足锅炉给水系统自动化运行的保证。但压差和锅炉启动方式、给水泵的特性以及给水系统的组成有着密切的关系。一般情况下，用户或设计院将会提出较为准确的最大压差，但不能提出调节阀在每个开度下的压差，通过实践，提出了近似的但基本上可以满足运行要求的计算公式。
3.1 锅炉定压启动时的计算公式
在锅炉内的介质压力与给水管内的压力变化不大的运行情况下，调节阀的压差仅受给水系统阻力的影响，可近似看作系统两端压力不变（图2），其调节阀在每个开度下的压差为
Δpi=p1-p2-Δp3 （9）
式中p1———给水管内压力，MPa
p2———锅炉汽包内介质压力，MPa
Δp3———给水系统各部件的阻力，MPa
式中Qi———通过给水系统的流量，t/hξ———给水泵系统总的阻力系数（由锅炉汽水阻力计算而得）
g———重力加速度（g=9.8m/s2），m/s2
γ———介质密度，kg/m3
F2———给水管道截面积，m2
将式（11）代入式（10）可得
式（13）可以用于在定压启动和水管制供水的机组上的调节阀，计算调节阀在各个开度的流量下的压差。在使用式（13）时，应注意公式中的阻力系数ξ应是从给水泵出口至锅炉汽包之间，包括弯头、管道、省煤器等所有产生阻力部件的阻力系数之和。
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3.2 锅炉滑压启动时的压差
目前在大容量的高温高压发电机组，基本上采用滑压启动方式，在这类机组中锅炉的供水方式比较复杂，有定速泵、变速泵、定速泵和变速泵交叉以及水管制供水等多种形式。因此，使调节阀在滑压启动中，其压差变化范围比较大，其中犹以定速泵供水为最大。因为，在机组启动过程中，锅炉汽包内的介质压力是随着锅炉的蒸发量增加而提高，给水系统的阻力也是随着给水量的增加而增加，而给水泵的出口压力则是随着流量的增加而降低（图3），造成了调节阀的压差随着开度的增加而降低。
由于锅炉升压曲线和锅炉蒸发量之间没有固定的函数关系，给水泵的特性曲线也因其结构的不同不尽相同，因此，调节阀在调节工程中各个开度下的压差不能用一个函数式表达。但可以从锅炉机组上锅炉升压特性曲线和给水泵的特性曲线上，查出在同一流量下的锅炉汽包压力和给水泵出口压力，其在不同开度下的压差Δpi为
Δpi=Δp-Δp3 （14）
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式中Δp———在同一流量下给水泵出口压力和锅炉汽包压力之差，MPa
Δp=p3-p4
Δp3———系统阻力，MPa
p3———在锅炉给水流量为Qi时水泵出口压力，MPa
p4———在锅炉给水流量为Qi时锅炉汽包压力，MPa
在滑压启动机组中，锅炉供水为水管制时，则式中的p3为给水水管内的介质压力，并可认为它是一个定值。如果机组使用调速泵供水，在计算给水旁路上的调节阀的压差时，p3可按调速泵最低转速的特性曲线查得。此时，给水调节阀的压差Δpi，可以做为一个常量，通常情况下，Δpi=0.15～0.12MPa。
3.3 简化计算
在设计滑压启动机组上给水调节阀时，当无法取得锅炉升压曲线、水泵的特性曲线以及给水泵有关资料时，在用户只能提供通过调节阀最大流量和最小流量的压差时，可以把水泵和锅炉的升压特性曲线（图4）看作是两条直线，并认为给水系统的阻力也在这两条线之内，由此，调节阀在任意开度下的压差Δpi可以近似的计算，其计算结果基本上可以满足调节阀型线设计的要求。
式中Δps———调节阀流量为零时的压差，MPa
Δpa———调节阀最小可调流量下的压差，MPa
Δpb———调节阀最大流量下的压差，MPa
按照式（14）计算调节阀在任意开度下的压差，存在着调节阀实际流量特性曲线和理想特性曲线有一定的偏差。但是这种计算方法可以解决设计资料不足的困难，并且可以在缩小偏差的基础上，满足锅炉给水系统自动化运行的要求，所以设计者经常采用。
3.4 可调比的计算与选择
当用公式计算调节阀每开度下的压差后，应该用最大压差和最小压差计算和选用调节阀的可调比。当调节阀的压差随流量的变化而变化时，可调比为
式中Qmax1———最大可调流量，t/h
QN1———最小可调流量，t/h
按式（17）计算的可调比，在实际应用时可以适当的加大，一般情况下保留两位小数，末位数为0或5。对于锅炉主给水调节阀和喷水减温调节阀，由于其流量的起点不同，调节比的取值也应该不同，这主要因为，喷水减温调节阀的工作状态是从很小的开度下开始，并且要求是很精准和稳定的，如果运行状况比较平稳，运行水平很高，则需要的喷水量基本上保持在一个常数上，这就需要其调节比很大，根据实际运行，调节比R=30～50。而锅炉给水操纵台一般由两到三条管路组成，而主给水调节阀的投入大多在30%负荷以上才开始投入运行。以670t/h锅炉为例，一投入运行，其流量就应该是200t/h以上，从可调比计算公式上也可以看出，在小开度下流通面积如果过小，就加大了给水旁路交接时调节开度，造成了主给水调节阀工作流量特性曲线斜率过大，不利其瞬时调节既可满足锅炉运行的需要，因此，对于锅炉主给水调节阀的可调比建议采用R=10～20。
4 型线绘制
根据调节阀在每个开度下的压差以及流通面积的计算，可以进行阀节流件型线的绘制。但是，不论采用矩形法还是梯形法绘制窗口型线时，总要出现图5所示的形状。形成这一现象的主要原因是当l/L=0时，，因此，在调节阀的行程l=0时，在加上阀瓣和套筒之间的制造间隙所固有的面积，无论是直线特性，还是等百分比特性，就已经存在了间隙的面积下的流量。它不仅影响了调节阀的工作特性曲线形成不了一条光滑的曲线，而且使小流量下，调节阀在运行过程中不易控制，并给加工带来了一定的困难。因此，在型线设计时，应将l=0时存在的的面积扣除，如图5中上部虚线部分放到下部，就可以使调节阀的工作流量特性曲线的边光滑，同时提高了调节阀的可调比，解决了调节阀在小开度下的有效调节，并消除了加工上的困难。
5 结语
设计调节阀时，要针对不同的系统，掌握其工作条件以及在不同负荷下的流量和压差变化范围等参数，才能设计出理想的，适合系统运行的高质量的产品，这是一项比较复杂的工作，要经过多次试验与反复修正才能达到完善。特别是新设计的调节阀，应对各种结构特性和运行工况进行有针对性的试验，掌握其压差变化的规律，才能达到设计一个较为理想的调节阀的目的。
参考文献
（1）明赐东.调节阀计算选型使用（M）.四川：成都科技大学出版社，19991
