各种多级降压调节阀的特点及选择

在现代工业生产过程中，调节阀是一种用于控制系统改变管道中流体流量的装置。它是管道系统中的终端控制元件，在分配流体介质和调节流体流量方面发挥着重要作用。近年来，随着工业技术的不断进步，实际生产中的高温、高压等特殊条件也对调节阀提出了更高的要求。特别是对于高压差场合的调节阀，由于流量高，内部节流部件经常发生冲刷腐蚀，并伴有空化引起的汽蚀、噪声和振动，给安全生产带来重大隐患。因此，国内外一些制造商开发了专门用于高压差条件下的多级降压结构调节阀。

本文分别介绍了各种常见多级降压调节阀的结构、工作原理和特点。根据可压缩条件，如何根据实际流量计算调节阀CV总结了常用的值方法。为用户了解多级降压调节阀的特点，合理选择提供参考。

二、多级降压调节阀的常见类型和特点

调节阀中的汽蚀空化的根本原因是阀门前后的压差过高。一般认为，当Δp＞2.5MPa当流体介质进入阀内节流部分时，压力突然下降，通流截面面积最小压力降至最低。当压力低于当前温度下流体的饱和蒸汽压时，部分液体会蒸发，形成大量的小气泡。当流体通过节流口的压力升高时，这些气泡会破裂并返回液体，对阀体、阀芯等部件产生冲击，造成噪声、振动等危害。近年来，国内外一些调节阀制造商开发了各种不同类型的耐腐蚀多级降压调节阀。常见的多级降压调节阀分为三类。虽然结构不同，但具有共同的工作原理。通过改变结构，对总压差进行分段和多级降压，使各级压降Δp1小于空化的临界压差，有效避免了汽蚀等危害。

1.串级调节阀

串级多级降压结构如图1所示。该结构将原有的整体节流区域与多个单独的节流区域串联，使较大的压差转化为多个较小的压差，使每个降压范围控制在饱和蒸汽压以上，使空化现象不再发生。

图1 串级调节阀

液体介质多用于串级调节阀，其特点是：

1)在启闭过程中可以降低连续压差，每个节流口的动作滞后于上一个节流口，可以逐步降低启闭过程中作用于阀口的连续高压，分担一级节流口的压力。

2)流阻小，能胜任流体清洁度低甚至固液两相流的场合。

3)串级阀芯一般采用碳化钨喷涂硬化处理，具有良好的耐腐蚀性。

4)与其他多级降压调节阀相比，制造工艺简单，加工方便，制造成本低。

5)串级调节阀一般降压等级有限，多为3~4级，不能用于压差过高的场合。

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2.多层套筒式调节阀

多层套筒多级降压结构如图2所示，常用于电站或化工等行业。

图2

多层套筒式调节阀典型结构特征是阀芯部分节流件由数层加工有小孔的套筒构成，每层套筒之间都留有一定的间隙，使流体流经套筒时得以缓冲，从而将流体速度控制在一定范围内。

其特点是：

1)多级套筒调节阀的降压等级可设计较大，降压能力强于串级，能胜任高压差。

2)多层套筒结构既能满足较高的压降要求，又能保证工作时流量大。

3）良好的耐腐蚀性。当用于液体介质时，流体从最外层套筒流向最内层。液体介质在套筒中逐步降低压力，以减少空化的发生。流体最终从内套筒上的小孔喷射到中心阀腔区域，使气泡在套筒中心破裂，不直接损坏阀门金属表面。

4）具有良好的抗噪声和振动性能。当用于气体介质时，套筒内外流动。与内部相比，外套筒的孔径和间隙扩大，使气体介质在逐步降压过程中不断膨胀，可有效降低噪声和振动造成的危害。

5)套筒加工工艺复杂，成本高。但安装维护简单，易于更换。

3.迷宫式调节阀

如图3所示，迷宫盘式多级降压结构的核心节流部分由多个带有迷宫槽的金属盘叠加而成。流体通过迷宫流道多次碰撞转弯，消耗能量，同时逐步降压，控制流量。

图3 迷宫调节阀

一般多用于核能、电站等行业中高温高压降的特殊场合，工作介质多为过热蒸汽，也能用于液体介质。其特点如下。

1)迷宫流道的转弯级数为迷宫调节阀的降压级数，一般可达十至二十级以上。因此，迷宫多级降压结构是常见多级降压调节阀中降压能力最强的，国外产品最高可达40级MPa。

2)多级转弯迷宫流道具有优异的耐腐蚀性和消声减振性能，能有效控制流体流速，避免空化、噪声、振动等不良现象。

3)迷宫调节阀通过使用不同形式的迷宫盘进行组合，可以流量特性的调节曲线。

4)迷宫盘制造精度要求高，一般由司太立合金堆焊，使用寿命长；安装维护简单，易于更换。

5)迷宫流道对流体介质的清洁度要求较高，否则迷宫流道容易堵塞。

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三、多级降压调节阀CV值的计算

流量系数（C_V）一般用于表示阀门的循环能力。为了选择合适的调节阀，必须根据使用条件计算必要的C_V值，然后根据额定流量系数选择合适的调节阀型号。在可压缩条件下，与不可压缩相比，流体在节流过程中的压力降低、体积膨胀和密度降低要复杂得多。因此，对于一般用于可压缩条件降压调节阀，其流量系数的计算方法也相对特殊，典型的可压缩条件C_V压缩系数法和膨胀系数法主要用于计算值。

1.压缩系数法

20世纪50年代，苏联提出了压缩系数法，是计算压缩条件下流量系数的早期公式之一。考虑到气体的压缩性，在一般液体计算公式中添加气体压缩系数ε，校正液体计算公式。该方法大大简化了计算模型，将不同形式的调节阀简化为相同的流量喷嘴，然后认为气体介质在喷嘴中流动的过程是一个绝缘过程，然后用能量平衡方程导出计算公式，即：

   （1）

式中 γ_N——标准条件下的气体重度为单位kgf/m³（1kgf＝9.8N）；

Q——标状下的体积流量为m³/h；

T——气体温度，单位为K；

p₁——阀前压力，单位为kgf/m²（1kgf＝9.8N）；

∆p——阀门前后压差，单位为kgf/m²。

压缩系数ε可用试验确定，一般可用于空气试验：

   （2）

除压缩系数法外，早期还有阀前密度法、阀后密度法和平均密度法。早期公式只能适用于压力恢复程度低的情况，可以保证非临界流范围内良好的计算精度。但由于公式对计算模型的简化，∆p/p₁当增加到临界压差比时，会产生较大的误差，不能满足过渡区和临界区的要求。

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2.膨胀系数法

鉴于早期计算公式没有考虑阀门压力恢复特性对计算的影响，20世纪70年代，一些外国制造商提出了一系列以膨胀系数法、多种公式法和正弦法为代表的后期公式，改进了早期公式，可以更好地满足非临界区到临界区的计算精度。与早期公式相比，以膨胀系数法为代表的后期公式的计算结果更经济，可以减少不必要的浪费。膨胀系数法以其计算的简单性为基础IEC推荐为标准公式。膨胀系数法引入膨胀系数Y修正得出，当Y=1时，膨胀系数法也适用于不压缩液体工况。

   （3）

式中ρ_N——标准条件下的气体密度为单位kg/m³；

Q——标状下的体积流量为m³/h；

T₁——气体入口温度为K；

p₁——阀前压力，单位为kPa；

X——压差比，X＝∆p/p₁；

Z——压缩系数。

膨胀系数Y指在相同雷诺数下，可压缩介质的流量系数与不可压缩介质的流量系数之比。它表示流体从阀门入口流向节流孔下游最小流量面积的密度变化，以及压差变化时的密度变化。

   （4）

式中F_K——比热比系数，F_K＝K/1.4。

膨胀系数法引入了压缩系数，因为计算公式本身不包括上游条件下流体的实际密度Z补偿实际气体与理想气体在某些条件下的偏差。膨胀系数Y用于校正从阀门入口到喉管的气体密度变化，Y与喉管面积与入口面积的比率、通道形状、压差比X、雷诺数和比热比系数F_K其他因素素有关。膨胀系数法综合考虑了影响可压缩流体流量的许多因素，可以保证所有流量范围内的高计算精度，适用于各种类型的阀门，应用广泛。

四、结语

多级降压调节阀作为管道系统的关键设备，在控制过程中发挥着至关重要的作用。本文系统介绍了三种常见的多级降压调节阀产品的工作原理、核心结构、特点和适用场合，为用户了解多级降压调节阀的基本类型和特点提供了参考。此外，由于多级降压调节阀经常用于可压缩条件，本文还总结了可压缩条件下流量系数的典型计算方法，使用户能够根据正确的计算方法选择调节阀的具体型号。简而言之，本文为用户了解多级降压调节阀的特点，并在高压差下合理选择提供了一定的参考。