蝶阀来掌控-蝶阀的优劣势分析
栏目:行业动态 发布时间:2020-02-12
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Mark Nymeyer讨论了蝶阀的优点和局限性,并重点介绍了使蝶阀更适用于流量控制的发展。


@Mark Nymeyer


蝶阀比其他类型的控制阀更轻,更小且重量更轻,是许多应用中调节流量的最佳选择。传统上,标准蝶形阀已用于自动开/关应用,它们非常适合这种作用。但是,在调节闭环系统中的流量时,一些工程师认为它们是不可接受的。


蝶阀使用旋转盘来控制通过管道的流量。圆盘通常可旋转90度,因此有时称为四分之一转阀。通常,在考虑经济性时使用它们。当需要紧密关闭时,可以使用带有软弹性密封件和/或带涂层圆盘的蝶阀来提供所需的性能。高性能蝶阀(HPBV)-或双偏心蝶阀-现在是蝶形控制阀的行业标准,并广泛用于节流控制。它们对于压降相对恒定的应用程序或缓慢的工艺循环非常有用。


HPBV的优点包括直通的流路,高容量以及易于通过固体和粘性介质的能力。它们通常具有所有阀门类型中最低的安装成本,尤其是在NPS 12和更大尺寸的阀门中。与其他类型的阀门相比,它们的成本优势使尺寸超过12英寸的阀门急剧增加。


它们可以在很广泛的温度范围内提供良好的关闭性能,并且可用于不同的阀体设计,包括对夹,凸耳和双法兰。它们的重量比其他类型的阀门轻得多,并且更紧凑。例如,一个12英寸ANSI 150级双法兰分段球阀重350磅,面对面尺寸为13.31英寸,而一个12英寸的拖拉式蝶阀仅重200磅,面对面尺寸为3英寸。


Limitations局限性

蝶阀的确有局限性,使其不适用于某些应用中的流量控制。与截止阀相比,它们具有有限的压降能力,具有更大的潜在气蚀或闪蒸的可能性


由于圆盘的较大表面积就像杠杆一样,将流动介质的动力施加到驱动轴上,因此在高压应用中通常不使用标准蝶阀。如果是这样,执行器的尺寸和选择就变得至关重要。


有时会出现蝶形控制阀的尺寸过大,这会对过程性能产生负面影响。这可能是因为使用管线尺寸的阀,尤其是使用大容量蝶阀。它可以通过两种方式增加过程的可变性。首先,尺寸过大会增加阀门的增益,而在调节控制器时却缺乏灵活性。其次,过大的阀门可能会在较低的阀门开口处更频繁地工作,而蝶阀的密封摩擦可能更大。因为对于给定的阀门行程增量,过大的阀门会产生不成比例的大流量变化,所以这种现象会极大地夸大与由于摩擦而引起的死区相关的过程可变性。


规格制定者有时出于经济原因或为了适应给定的管线尺寸而使用蝶阀,而没有考虑其局限性。有一种趋势是蝶阀尺寸过大,以免管道尺寸变小,这会导致过程控制不佳。


最大的限制是理想的节流控制范围不如截止阀或分段球阀那么宽。蝶阀通常在开度约为30%到50%的控制范围内表现不佳。


Optimal control performance

最佳控制性能

通常,当控制回路以线性方式运行并且过程增益接近于1时,回路最容易控制。因此,1.0的过程增益成为良好的环路控制的目标,可接受的范围为0.5到2.0(范围为4:1)。


当大多数环路增益来自控制器时,将获得最佳性能。注意,在图1的增益曲线中,过程增益在阀行程约25%以下的区域中变得很高。


过程增益定义过程输出和输入变化之间的关系。过程增益保持在0.5到2.0之间的行程是阀门的最佳控制范围。当过程增益不在0.5到2.0范围内时,可能会出现不良的动态性能和环路不稳定性。


蝶阀盘的设计对阀门的流量有很大的影响,因为阀门从关到开。具有固有百分比特性的磁盘可以更好地补偿流量变化时的压降变化。相等的百分比修整将为改变压降提供线性安装特性,这是理想的。结果是流量和阀门行程之间更精确,一对一的变化。

图1:截止阀和蝶阀的比较。 当增益为0.5到2.0时,将发生最佳控制。 截止阀在很宽的行程范围内都能很好地控制,但是标准蝶形阀的行程限制为30-50%。


蝶形阀最近可用于具有固有等百分比流量特性的阀瓣。 这样可提供安装特性,从而在较宽的行程范围内使安装的过程增益在所需的0.5到2.0范围内。 这样可以显着改善节流控制,尤其是在较低的行驶范围内。


这种设计可提供良好的控制,从大约11%的开度到70%的可接受增益为0.5至2.0,与相同大小的典型高性能蝶阀(HPBV)相比,控制范围提高了近三倍。 因此,等百分比的磁盘可提供总体较低的过程可变性。


具有固有相等百分比特性的蝶阀,例如控制盘阀,是需要精确的节流控制性能的过程的理想选择。 它们可以不受过程干扰地控制在更接近目标设定点的位置,从而降低了过程的可变性。


Improving control

改善控制

如果蝶阀运行不佳,只需将其替换为适当尺寸的阀即可解决该问题。例如,一家造纸公司正在使用两个超大型蝶阀来控制从纸浆中去除水分。两个阀门在低于20%的行程下运行,分别导致3.5%和8.0%的过程变化。他们将大部分使用寿命用于手动模式。


安装了两个具有数字阀控制器的适当尺寸的NPS 4 Fisher Control-Disk蝶阀。现在,这些环路以自动模式运行,第一个阀门的过程可变性从3.5%增至1.6%,第二个阀门的过程可变性从8%增至3.0%,而无需任何特殊的环路调整。


钢铁厂冷却液系统的水压和流量控制不良,导致最终产品不一致。九台安装的HPBV无法按要求有效控制水流。


该工厂希望安装可以更好地控制过程的阀门,并需要将安装成本降至最低。如果将每个阀门从HPBV切换到分段球阀,工厂将花费10,000美元用于管道更换。相反,艾默生建议其控制盘蝶阀适合当前的HPBV面对面尺寸。


一个控制盘阀与九个现有HPBV之一进行了并排测试,并达到指定要求。该厂在一年内更换了剩余的八台HPBV,每台都用一个控制盘阀,从而省去了分段球阀的90,000美元的管道更换费用,相对于蝶阀,球阀的成本增加了约25%


控制盘阀可提供精确的控制,并有助于消除最终产品的可变性。该钢厂估计安装了九个控制盘阀,每年可节省约100万美元。


Conclusions

结论

带有数字定位器的HPBV的初始安装成本低于大多数其他阀门类型,并且在尺寸适当时可以提供足够的控制范围。 它们具有高容量和最小的流量限制。 具有固有相等百分比调整的蝶形阀为扩大控制范围提供了机会,类似于截止阀或球阀,并且仅占用了HPBV的空间。


选择阀门,特别是HPBV时,请确保其尺寸正确,否则可能会从控制室手动控制它们。 重要的是要考虑阀的样式,固有特性和阀尺寸,这些阀将为应用提供最大的控制范围。


作者:Mark Nymeyer 

Mark Nymeyer is a global marketing communications manager at Emerson Automation Solutions for flow controls.

Mark Nymeyer是艾默生自动化解决方案的全球市场传播经理,负责流程控制。