西门子调节阀压力平衡式阀芯改造更节能

摘要：本文描述的是将西门子VVF系列调节阀阀芯改造后以减少阀门前后压差，解决因压差过大，阀门不能正常打开或关闭的问题。本文就西门子调节阀的压力平衡式阀芯的改造进行讨论。
 
　　一、基本概况
 
　　新疆奎屯换热站一次供水调节阀，设计院设计为电动三通阀。三通阀为分流型。当调节阀动作的时候主要调节主通道的流量，多余的部分通过旁通返回热源。
 
　　但是在使用的时候，热力公司认为此处安装三通阀不合理，应当改成两通阀。原因就是热力公司的热网循环泵采用变频恒压差控制。当各个分支换热站调节阀调节流量的时候，热网循环泵变频会自动根据供水压差调节水泵转速。这样，既可以稳定压差，也可以因水泵调节转速而节省电费。
 
　　如果换热站采用三通调节阀，调节阀调节的时候，进出水的总流量不发生变化，因此压差也不会发生变化，所以这样锅炉房的供回水总管压差不会发生变化，变频循环泵不会调节转速，循环泵一直以大恒定转速运行。这样导致循环泵的能耗一直居高不下。锅炉房技术管理要求将三通阀更换为两通阀。但是因为换热站已经运行使用，为了避免更换调节阀停暖，现将三通阀旁通出口处的关断阀关闭，并且将手柄锁止，不允许打开。如下图1：

　　当分流截止阀关闭时，产生调节阀打不开的现象。打开执行器接线盒盖，可发现执行器的红色指示灯闪烁，此红灯闪烁表明阀芯被卡住了。
 
　　现场压力表显示，供水总管压力P1=0.9Mpa，回水总管压力是P3=0.7Mpa。由于调节阀后没有安装压力表P2，所以调节阀前后压差无法得出。P1，P2压力几乎不会因为调节阀开度产生变化，所以变化的是阀后压力P2。当调节阀打开时P2>P3，调节阀全关时P2’=P3(如下图2所示)，所以调节阀全关时前后压差大。根据现场的现象也可以发现，当调节阀手动一定开度后，jam指示灯不再闪烁，恢复正常。这说明调节阀全关或开度很小时，执行器难以向下推动阀芯。

　　查阅了执行器的参数，根据执行器和阀门的参数可知，电动液压型执行器SKC用于DN150的调节阀时，大允许压差为0.1Mpa，远远不能满足现场的运行条件。
 
　　二、西门子调节阀的改造
 
　　为了解决执行器推力不够的情况，通常的做法是用大小阀并联，对于小阀，执行器可使用的大压差满足条件。
 
　　大小阀并联使用。因为小阀阀芯截面小，大压差作用在阀芯前后压力比大阀阀芯承受的压力小。可在控制器中设置开关阀顺序。开阀顺序为：先开小阀，小阀全开以后，再开大阀。关阀时，先关大阀，大阀全部关闭后，再关小阀。
 
　　解决执行器推力不够的另一种方法是将调节阀更换成压力平衡型的阀门。普通调节阀(非平衡)工作时,作用力完全作用在阀芯上,会使阀杆动作需要很大的力，平衡式就是采取一些措施来将这个作用力减小(抵消)掉一部分。例如改变阀芯后的通道并将部分压力直接引导到阀芯后方来抵消作用力。较为简单并容易理解的是采用双座结构(如图),两个阀芯的流向相反,产生的作用力抵消，这样阀芯作用于执行器的反向推力会降低很多，执行器更容易打开或关闭调节阀。
 
　　压力平衡型的阀门还有很多种形式，这里不再做说明。但是压力平衡式调节阀一般结构复杂，造价高，而且泄漏系数较大。
 
　　对于此项目，上述两种方法都需要停机重新焊割管道。但是由于受现场条件限制，无法进行焊割作业。
 
　　为此，我们决定将调节阀芯进行改造，将其改造成压力平衡型的阀芯。
 
　　如下图3的两通阀阀体内部结构和阀芯剖面图。阀芯所承受的大压差是在直通全关的情况下。ΔP=ΔP max=P1-P2’。阀门打开时ΔP=P1-P2。

　　因此，在阀门关闭时，只要使阀芯前后的压力相同或接近，ΔP趋于零。如此，执行器受到阀芯大压差产生的反作用力会大大减少。
 
　　当阀芯向上关闭时，对阀杆方向的分解力只是作用于阀芯上端面内外的压力差。如上图所示的P2和P3的差值。改造此阀芯的原理就是让P3与P2相同(阀门关闭时)。为此，P3腔体必须与P2腔体有导压孔相通，而且P3腔体必须与P1腔体隔离开。另外阀门的进出交换，为的是避免因为阀芯泄漏导致高压侧P1进入到低压侧P3，而P2不能通过导压孔进入P3腔体。
 
　　此阀芯材质是黄铜，为了避免材质不同造成胀缩率不同，阀孔的封堵环也采用黄铜材质。
 
　　由于导压孔是连通进口侧和密闭腔体，所以不会增加调节阀的泄漏率。
 
　　此调节阀的全开行程是40mm，全开时间是90s，所阀芯开速度是0.44cm/s。阀芯向下运动时，上左图P1腔体被压缩，阀芯内径是10cm，内腔截面积是78.5cm2 ，所以阀芯向下运动时，通过导压孔的瞬时流量是78.5×0.44=34.54cm3/s。两个导压孔的截面积是0.15×0.15×3.14×2=0.1413 cm2 ，所以导压孔内流速为34.54/0.1413=244cm/s=0.244m/s。此流速远远低于一般节流孔的流速，因此不会造成因腔体被压缩而产生的额外反作用力。
 
　　三、总结
 
　　在改造后的实际运行过程中，再也没有出现调节阀打不开或关不上的现象。现场的运行状况很正常。此后，在另一个换热站，对一个两通阀进行了相同的改造，都是排除了这样的故障。
 
　　后来在资料里见到其他对此种调节阀的改造，是在阀体外加装导压管，将两个腔体导通。这样的弊端是增加了阀门的外泄漏，增加了故障点。