毕业设计（论文）-热电厂减温减压机构中气动减压调节阀改造设计.doc

济南大学泉城学院毕业设计1 前言1.1 调节阀在自动调节系统中的作用1.1.1调节阀的现状 我国调节阀的技术经过近三十多年的引进革新和发展，有了巨大的进步，但是与国际水平相比还是有很大的差距，主要体现在高温、高压和大口径领域，我国设计制造的阀门普遍存在易卡死、振动大、噪音大、驱动力矩过大、可靠性太低、寿命不长、密封填料易漏等问题。而且在理论研究和结构创新上都还不能跟上近代工业发展的需求。1.1.2 调节阀的发展趋势 随着现代大型成套装置技术的飞速发展，出现了一系列新型成套设备和机器，与之相配套的调节阀也变得更为大型化、自动化、高参数化和成套化。而且更多的新型调节阀还在不断增加，例如：紧急切断阀、急速关闭阀、耐高温防火阀和耐低温水冷阀等。调节阀的功能参数有了很大的提高，如调节阀的最大口径比以前更大，工作温度更高、压力更大调节阀的发展已经趋向于品种多、性能好，密封更可靠，寿命更长。如新型球阀能达到十万次以上无泄漏。新型铸铁闸阀能开关3万次，动作可靠，开关迅速 。现代阀门的科研特点：试验研究和新产品开发之间密切结合；内部研究和引进技术之间密切结合；着重于高新技术在阀门上的应用和研究，重视高参数、特殊工况用阀门的设计研究和阀门的研究试验工作，也更加重视现场试验与创新改进。1.1.3调节阀在自动调节系统中的作用调节阀是在自动调节系统中不可缺少的一部分，接收来自于调节器的输出信号，从而改变和调节介质流量，达到调节功能。调节阀的性能和动作的好坏，会直接影响调节系统的质量和效果，是自动调节系统中的一个重要环节。1.2 调节阀的组成和分类1.2.1调节阀的组成与分类 调节阀主要由执行机构和阀体部件组成。（1）调节阀按行程特点可分为：直行程调节阀和角行程调节阀。直行程中包括：单座阀、双座阀、隔膜阀、套筒阀、角形阀、三通阀；角行程中包括：蝶阀、球阀、全功能超轻型调节阀、偏心旋转阀。（2）调节阀按驱动方式分为：以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质(如水、油等)压力为动力的电液动调节阀；（3）按调节形式分为：调节型调节阀、切断型调节阀、调节切断型调节阀；（4）按流量特性分为：线性、等百分比、抛物线、快开。（5）按用途和作用分类：两位阀：主要用于关闭或接通介质;调节阀：主要用于调节系统。选阀时，需要确定调节阀的流量特性;分流阀：用于分配或混合介质;切断阀：通常指泄漏率小于十万分之一的阀。（6）按压力分类：真空阀：工作压力低于标准大气压;低压阀：公称压力PN1.6MPa;中压阀：PN2.56.4MPa;高压阀：PNl0.080.0MPa，通常为PN22、PN32;超高压阀：PN100MPa。 （7）按介质工作温度分类高温阀：t450;中温阀：220t450;常温阀：-40t220;低温阀：-200t-40。1.2.2气动薄膜调节阀的应用气动薄膜调节阀是经常使用的一种执行器，可以与气动调节仪表配套使用，用来实现工业生产过程中工艺参数的自动化调节。现代国内外使用最普便的是电动单元组合仪表，有型、型，以及带微机的智能化仪表、集散型控制系统，是自动化仪表发展的主流方向。气动仪表是在特定的条件下和配套设备上使用，但作为气动仪表的气动薄膜调节阀，在现实工业生产的使用中却起到了广泛的应用，因为它不但可以和气动仪表配套使用，而且配上电气转换器后就可成为电动仪表的执行器，组成调节系统。该阀的优点是：结构简单、操作便捷、可靠度高、维修简单、防火防爆，是目前生产的一般电动调节阀无法媲美的。因此广泛应用在石油化工和电力等行业。本次设计中的热电厂正好适合使用此种阀门。1.3 调节阀设计要求 调节阀是管道系统中的一个重要组成部分，因此需要保证它的安全可靠、保证满足执行管道系统对阀门提出的使用要求。所以阀门设计要满足工作介质的压力、腐蚀、温度、流体特性和操作、安装、制造、维修各方面对阀门提出的要求。（1）阀门设计必须具备的基本数据：a.阀门的用途、种类b.介质工作压力c.介质工作温度d.介质的物理、化学性能（腐蚀性、易燃易爆性、毒性、物态等）e.公称尺寸f.结构长度g.阀门和管道的连接形式h.阀门的操作方式（手动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、电动、气动、液动等）（2）在阀门的技术性设计和工作图设计时，应当掌握的数据和技术要求：a.阀门流通能力和流体阻力系数b.阀门启闭次数和启闭速度c.驱动装置的能源特性（电动、气动、液动）d.阀门的工作环境和保养条件（是否防爆、是否复合气候条件等）e.外形尺寸的限制f.重量的限制g.抗地震要求2 总体设计方案2.1设计课题 热电厂减温减压机构中气动减压调节系统改造设计 调节阀在工业控制场合地位重要，应用广泛，其质量和控制能力对整个控制系统有着决定性的影响。该设计对山东石横特钢集团热电厂减温减压机构的一台气动减压调节阀进行改造设计，入口压力35KG，出口压力15KG，介质为435度蒸汽，口径DN200，正常流量10T/H，最大30T/H。配套ABB定位器。原来用的是中核苏阀的DN150，由于流量满足不了要求，需要进行改造。要求：1）确定气动减压调节系统各个环节功能；2）对调节阀阀芯进行合理改造设计；3）对调节阀参数进行计算。2.2 设计的功能与其具体方案的选择 2.2.1轴流型调节阀及一般调节阀的性能缺点 现有的轴流型调节阀结构，改变了普通调节阀的整体流通结构, 让介质在阀内轴向顺环形流道流动,而流体在阀体内的流向转变很小,这样能量损失会比较少。同时整体铸造的圆桶结构适应了承压容器的受力要求,使承压性能更好。而普通调节阀的流通能力会受球形阀体的“S”形流道结构约束而无法增大, 原因就是介质在流道内经会多次改变流向, 更易形成旋涡而互相碰撞, 更加的消耗能量。而且当口径大于 DN400 mm 时,阀的行程变得太长, 调节阀的灵敏度降低, 整体结构过于笨重,驱动力过大。轴流型调节阀的阀体流道是顺管线中介质的流向设计, 并且，阀体内腔设置流线圆锥状导流罩, 能疏导流体的流速和流向, 使得管道流体分布更均匀, 压力更均衡。而节流部件则参考了套筒阀的结构, 区别在于轴流型调节阀把套筒顺管道流向安装, 使阀芯在套筒内轴向运动, 阀芯可设计为压力平衡式结构, 这样能够抵消因节流口前后压差而引起的不平衡力, 改善了普通调节阀口径小、压差小的约束。一般的调节阀整体结构是球形的, 内部的流道基本上就像一个平置的S形, 流体进入阀体后经过流向的多次转变, 特别是在节流口前后有两次 90的突然转变, 对流体的动能损失较大, 这样流阻就会变高。而从流路上分析, 其流路过于复杂, Cv值太小, 防堵性能差, 尺寸太大, 动作不够灵敏, 外观不够简约美观。从移动方式来分析, 阀杆的上下运动滑动摩擦大, 阀杆密封性差, 抗振动性能很差。从结构上来分析, 单密封允许的压差小, 但双密封泄漏量大, 阀芯在中间会无法避开高速介质的直接冲刷, 缩短使用寿命。2.2.1 采用新型平衡式套筒调节阀的概述 新型套筒式调节阀中的套筒和阀瓣配合为间隙配合,套筒上开有多个节流窗口, 节流窗口形状决定调节阀的流量特性, 窗口面积大小影响调节阀流量系数Cv，并可通过调整使用不同的套筒达到不同的要求，如降噪可采用小孔套筒。阀座则采用无螺纹卡入式结构, 阀座上圆锥密封面和阀瓣上圆锥密封面互相配合形成一个切断密封副, 保证了阀瓣压紧在阀座时的阀门能够紧密关断。阀座直径大小也能够影响调节阀的流量系数Cv。阀瓣上面平行于轴向对称分布有平衡孔, 会使阀瓣的上下端面的腔室相连，这样阀内的介质作用在阀瓣轴向上的力中的大部分能相互抵消, 这样介质在阀杆上产生的不平衡力就非常小，达到平衡的作用。套筒上还有一个聚四氟乙烯平衡密封座, 当阀瓣完全关闭时, 阀瓣上的平衡密封面紧压在套筒上的聚四氟乙烯平衡密封座上，形成一个严密切断, 以保证上腔室的介质不会进入平衡室。当阀瓣上下移动时, 套筒上的节流窗口的通道面积将发生变化, 从而实现了调节管道内介质的流量和压力等功能。通过对流量的要求和优缺点比较，本次设计采用新型平衡式套筒调节阀。2.2.2 平衡式套筒调节阀的结构图1 平衡式套筒调节阀1 止退垫片 2 隔离套管 3 阀盖 4 下 (上) 部填料 5 下(上) 导向套管 6 阀盖法兰螺栓7 阀盖法兰螺母 8 阀盖法兰 9 阀盖密封垫片 10 套筒密封座 11 套筒 12 阀瓣13阀座 14 阀座密封垫片 15 阀体2.2.3 平衡式的套筒性能及优缺点（1）平衡式结构,阀的前后介质压差对与阀瓣产生的不平衡力变得非常小,比相同情况下的同类型阀门所需要的执行机构推力更小,所以它的阀杆直径比单座非平衡阀更小。（2）阀杆和填料之间摩擦力很小,减小了阀门动作产生的阻力,而且阀杆和填料的磨损也更小, 增加了使用寿命。较小直径的阀杆在中高温工作环境下，热胀冷缩变化量小, 避免了中高温时阀杆与填料之间摩擦力变大或互相卡塞情况的发生。（3）新型套筒调节阀是采用平衡式结构,它与一般的直通单座阀相比较,配置的执行机构更小, 但能够克服比直通单座调节阀更高的介质压差。如：DN200/ DN300的新型套筒调节阀只需配置C60气缸式执行机构,无须更大的气缸执行机构。当采用最大阀座直径时,允许的工作压差则是相同配置的直通单座调节阀2倍左右,也可选择配置薄膜式执行机构和防爆电动执行机构。本次设计即选择了气动薄膜执行机构。（4）新型套筒调节阀使用无螺纹卡入式的阀座结构以及模块化设计,使阀门拆装更方便, 同时达到泄漏量标准4级以上。（5）新型套筒调节阀的使用寿命更长，高于一般直通单座调节阀。（6）新型套筒调节阀若DN大于80, 调节范围会比直通单座阀大, 经过合理设计, 调节比可以达到5031以上。（7）新型套筒调节阀阀瓣有导向, 不像传统套筒调节阀的阀瓣和套筒那样易刮伤和卡塞、泄漏量大,更适合用于切断, 结构简单。该调节阀动作更平稳, 降低了阀瓣振动的可能性。（8）比普通的单、双座调节阀更具有降噪功能，普通套筒噪声降低10dB左右，小孔式降噪套筒将降低更多。3具体机构的设计与计算3.1 驱动装置的选择及定位器介绍 气动薄膜套筒调节阀由气动薄膜执行机构与套筒调节阀两部分组成。套筒阀与一般阀门不同之处在于，阀体内插入一个有密封面的套筒，圆周开有窗口或小孔。并配有一个以套筒为导向的滑动阀瓣。当信号压力输入膜片室后，在膜片上产生推力，压缩弹簧，使推杆移动，带动阀杆、阀塞，改变流通面积，直到弹簧反作用力与信号压力作用在膜片上的推力相平衡，从而达到自动调节工艺参数的目的。 固有流量特性为直线和等百分比。固有可调比为50. 另外本设计配套有ABB定位器：突破传统定位器概念，采用TEIP11作为核心部件，结合微处理技术，内置通讯功能。适合转动型及直行程阀门的控制，定位精度高，直行程范围20150mm，转动型达125度。气容13.5kg/小时，气耗0.03kg/小时。通过自动零点/量程调整，简化调试。采用 传感器技术进行温度及位置补偿，具有抗振动能力高达10g，10150Hz，温度范围-40+85的卓越特点。通过HART或 Profibus/FF通讯接口，建立现场与控制室的实时联系，可进行参数调整、状态监控。具有自由组态的输出特点，可最大程度地改善球阀/碟阀的输出性 能，采用廉价的球阀/碟阀+智能阀门定位器，同时达到关断阀与调节阀的特性。智能阀门定位器通过接收控制器或控制系统发出的420mA电流信号来控制阀门开度的装置；内置微处理器，可精确控制直/角行程阀门阀位，并可执行自动设定，PID控制，HART通讯等强有力的功能； 外部装有液晶屏（LCD）， 因此可以在现场直接确认定位器的状态； 通过HART通讯，可以获得阀门和定位器的各种信息； 可添加阀位输出模块，反馈阀门的开度； 可任意设定线性，快开，等百分比等流量特性， 也可设定16个点来实现特殊流量曲线； 具有优秀的防护功能。3.2 阀体的设计计算3.2.1 阀体壁厚的计算本设计中使用的是铸铁圆形阀体，材料为ZG阀体壁厚式中许用拉应力 查表知为51 MPa Dn内径=200 p计算压力 5.4MPa C腐蚀余量 本设计为435度蒸汽，取2mm计算Tb=17mm3.3 阀盖的设计计算3.3.1阀盖结构形式的选择 常见的阀盖结构形式有整体阀盖和分离式支架阀盖，根据安装形式又分为阀杆螺母式、立柱横梁式和法兰连接式3.4 阀盖与阀体的连接 阀盖与阀体的连接形式常见的有：焊接连接、螺纹连接、法兰连接、自紧式密封结构连接等。在本设计中，由于需要做到拆卸方便，因此阀盖与阀体采用法兰连接。法兰与壳体制成一体，拆卸方便、密封可靠。图 法兰连接示意图3.4.1 螺栓的间距螺栓的最小间距应满足扳手操作空间的要求3.4.2 法兰密封面形式与垫片的选择根据法兰密封面的形式不同，使用的垫片也不相同，常见的有光滑式，凹凸式，楔形槽式，梯形式和透镜式。为达到拆卸方便，降低成本，本设计采用光滑式的法兰密封面。垫片材料选择橡胶石棉板。图 光滑法兰密封3.5 支架与传动装置的连接3.6 配合公差新型的平衡式套筒调节阀使用的是PTFE平衡密封座, 对使用温度的要求不能过高。因为不锈钢阀瓣和套筒在这个在过高温度情况下，热胀冷缩变化量变大, 又由于平衡密封副不是通过阀瓣与套筒的圆面间隙配合密封, 而是靠锥面正压密封，因此, 在小开度时的小流量要依靠阀瓣与套筒之间的间隙以及阀瓣与阀座之间的间隙来实现。而且为了防止阀瓣和套筒在介质温度变化时发生相互挤卡, 套筒与阀瓣的配合间隙可以偏大一点, 配合公差套筒一般选择H9,而阀瓣一般选择b9或间隙更大的公差。3.7 阀瓣的设计计算（1）阀瓣壁厚度计算：平衡套筒式调节阀的钢及合金钢圆形阀瓣体壁厚为式中S计算壁厚, mm p公称压力,5.4 MPa D公称直径, 200mm 许用拉应力, 51MPaC腐蚀余量,2 mmS=11.6mm 当计算壁厚S 实际壁厚 S 时 ( 设计给定) ,选取的壁厚合格。由于管路附件压力-温度额定值是根据材料相应温度下的许用应力而制定的, 故不进行高温核算。（2）介质不平衡力计算：介质不平衡力 为式中平衡密封座直径, mm D 阀座直径, mm d 阀杆直径, mm 阀前压力, MPa 阀后压力, MPa（3） 执行机构推力计算：阀门所需执行机构推力 F 为式中F阀门所需推力, N 摩擦力, N z 放大系数 ( z = 1.2 2)选择的执行机构额定输出推力应大于F。3.8 阀杆的设计计算由于本设计中需要安装散热片，所以本次设计选用加长型阀杆。3.8.1 阀杆的直径计算3.8.2 阀杆的头部尺寸计算3.9 填料函设计计算填料函壁厚Dn=200mmTo=10mm3.10 散热片的降温功能设计 由于本阀门介质为435度高温蒸汽，因此安装散热片是必要的。此次使用的散热片采用铝铸造散热片。 虽然铝挤散热片的价格低廉，制造成本也较低，但其由于受到铝材本身质地较软所局限，他的鳍片厚度与鳍片的高度之比一般不会超过1:18，所以各PC生产 厂商对于散热面积不断增大，而散热空间不变的要求之下，厂商们提出了一种较为合适的方案，加密鳍片，从而增加鳍片数量；折弯鳍片，从而增大散热面积；将铝锭从固态加热到液态经过模具，再进行冷却就成了我们想要的散热片了。3.11 套筒的选择及降噪的功能设计改造3.11.1 噪音产生原因分析根据现场出现状况及流量要求，主要考虑管路改造和阀门内部结构改造，来消除振动和噪声。调节阀由执行机构和调节机构（阀门）两部分组成。调节阀工作过程中普遍存在着噪声，这是调节阀内在的紊流和能量吸收所引发的现象。调节阀运行环境中的主要噪声为机械振动噪声、液体动力噪声和气体动力噪声。现场介质为435度蒸汽，所以设计时主要考虑机械振动噪声和气体动力噪声即可。（1）机械振动产生的噪声调节阀产生的机械噪声，主要来自阀芯、阀杆和一些可以活动的零件，阀体内压力变化及流体的冲击会使这些刚度小的阀件（例如阀柄、阀杆、支架等）产生振动，甚至共振。这种噪声产生的条件与阀门开度有直接关系，与压降和流速无关，并难以事前预测，因为阀门开度是随着操作条件而变化的。当发生此类噪声时可以更换阀型，改变阀腔或阀芯形状和尺寸，加粗阀杆等。总之，要设法破坏共振条件。（2）气体动力噪声气体动力噪声是由气体、蒸汽和饱和蒸汽的调节造成紊流现象而产生的。气体的动力噪声主要来源是紊流流动时形成的巨大冲击力。而气体的流动受阻，高速气体的迅速膨胀和突然减速，以及流动蒸汽方向的改变等都会造成紊流现象。因此，气体动力噪声是此类调节阀最主要的噪声问题，其频率一般为10008000Hz。研究表明当噪声级超过所规定的限值，大约达到110dBA 时能导致调节阀零件以及与之相连管道的机械性破坏。3.11.2 套筒的分类及选择此阀阀瓣上装有金属密封环，具有密封及导向作用，并具有优良的耐磨性。彻底解决了阀瓣卡塞的现象，具有很好的高温工作性能。图2 高性能平衡式套筒 大型的企业系统中, 各种调节阀普遍应用于降压、降噪、低泄漏量和方便调整流量特性的应用场合。根据市场的发展需求, 平衡式套筒调节阀会采用模块式计算机优化设计,而且阀体、阀盖及填料函等全部为标准化设计。阀门的设计为直压式的结构,可通过方便地更换套筒以及改变节流孔的形状来改变控制阀的流量特性。结构分析 套筒调节阀阀瓣以套筒为导向,能够减少不平衡力,同时执行器的输出力也会减小。由于套筒阀的互换性和通用性较强, 它能广泛用于各种要求动态稳定性好的、降低噪声的、减少空化气蚀的、 高温、低温的及高压差的工作场合。一般传统的套筒调节阀阀瓣表面直接由套筒导向, 导向间隙很小,零件加工精度要求很高,尤其是在高温时阀瓣很容易卡塞,泄漏量较大。而新型平衡式套筒将原结构中的 两个密封面改为一个,上面的密封用密封环来代替。这样的改进使得阀瓣和套筒之间不再由于导向而产生摩擦,解决了阀瓣的卡塞问题,导向由密封环来完成,有效的提高了阀门的泄漏等级。 降噪套筒调节阀它是一种压力平衡式的降压调节阀,主要为压缩性流体，如蒸汽、 空气、 天然气等气体的降噪而设计的。在本设计中，高温蒸汽也比较合适使用该种降噪套筒。为适应气体的节流、 扩散和膨胀, 套筒上设有许多的对称小孔, 能够大幅度降低高压差气体和蒸汽所产生的噪声,也能有效防止液体产生的气蚀现象,是一种既抗气蚀又能降噪，还能控制流体稳定的经济型调节阀。3.11.2 管路改造消除噪声对于调节阀，大多数场合下可以通过多安装几个阀门来降低压力和减小噪声，即可以通过调节辅助阀门来消除噪声。一般调节阀安装方式如图2所示，阀C称旁路阀，阀A与阀B为隔离阀。当调节阀由于压力降大而产生强烈噪声时，可以使用A、B两阀的节流来分担调节阀压降。当调节阀在某一开度激发系统共振时，可以适当开关阀C来改变调节阀开度，从而破坏其共振条件。图2 调节阀管路改造现场管路布置在最初上生产线时即已确定，再添加旁路工期较长且难度较大，经论证之后该方案放弃。于是阀门内部结构改造成为关键。3.11.3 套筒改造降低噪音此次设计过程中，通过噪音分析和阀芯改造设计计算，最终阀门内件换成平衡阀芯两层降压降噪套筒结构，使流速分布均匀，降低阀塞和阀座之间的压差，改善湍流状态，并增大磨损，消耗声能，从而降低噪声。现场蒸汽温度450度，采用延长型阀盖。平衡阀芯上有四个平衡孔，和非平衡阀芯相比，它们可以减少介质作用在阀塞上的不平衡力。加上阀塞导向，不易引起阀芯的振荡。降压套筒为两层，较低噪音套筒调节阀的一层套筒，可大幅度降低高压差气体或蒸汽所产生的噪声，而且特别适用于高压差的场合。套筒设计成一组多层节流套筒组合的形式，使介质分段降压，并使声波在进入小孔之前就相互撞击，消耗能量。在设计套筒上孔的数量及孔的大小以及孔的排列方式上按小孔节流理论进行计算确定。根据设计压差计算流速，使流束在套筒中间互相碰撞，达到消耗声能的目的。两层套筒通过定位销进行固定，套筒上的沉头螺钉对阀芯起到轴向固定的作用，防止阀芯旋转。3.12 其他零部件的设计计算3.12.1 压缩弹簧的选择压缩弹簧使用60Si2Mn弹簧钢。3.12.1 垫片的选择与计算压缩弹的材料可选用柔性石墨带。3.13 调节阀性能试验 调节阀的测试实验包括壳体试验和性能试验。重点在于性能试验。性能测试包括：调压试验、密封试验、流量特性试验、压力特性试验、流量试验和连续运行试验。调节阀试验介质用常温水。试验压力为额定压力的1.5倍，试验时间最短持续时间为120s。可单件试压也可整体试压，整体试压时，不包括易损件（膜片、波纹管）。结 论在紧张忙碌的毕业设计过程里，我在导师的悉心指导下，把大学所学的知识与设计的实际要求相联系，完成了热电厂减温减压机构中气动减压调节阀设计改造工作。在此，我觉得我的努力取得了一定的成果。（1） 经过仔细的计算与查找相关资料，设计的气动减压调节阀能够满足流量的要求，进行正常运作。（2） 经过查阅大量资料并结合设计要求进行自主的创新，进行了降低噪音的改造。（3）设计的新型套筒调节阀采用模块化设计, 结构简单,性能可靠, 大大降低了各种成本和费用。当阀门口径为DN200用于高压差时, 更能充分体现出其良好的性能和优点。（4）虽然有一定的成果，但还有一些问题没能解决，例如套筒调节阀在大口径（DN150mm以上）时普遍存在泄漏量大的缺点。针对这一点，对于套筒阀而言，它的密封点有两个，一个是阀芯与阀座的密封面，另一个是导向密封环。不论哪一个密封点有损坏，都会造成阀的内漏。因此，定期对阀门的密封性进行检查以及检修完完全关闭阀门，都能对阀门内漏现象做到预防。参 考 文 献1王孝天. 不锈钢阀门的设计与制造M.北京:原子能出版社，1987.2屈念民. 仪器与未来M.北京:中国仪器表学会，1991.3杨源泉. 阀门设计手册M. 北京: 机械工业出版社,1992.4徐开先. 波纹管类组件的制造及其应用M. 北京: 机械工业出版社, 19