一、引言
目前，自力压差调节阀不需要额外的能量，利用调节介质本身的能量引入执行机构控制阀芯的位置，改变两端的压差和流量，使阀前（或阀后）压力稳定，动作灵敏，密封良好，压力设定点波动小，设置检测、控制、执行多种功能，形成独立的仪表控制系统。根据阀后、阀前控制分为两类，即自力阀后（减压）调节阀和自力阀前（减压）调节阀，广泛应用于城市集中供热、供水、供气等民用工业和石油、化工、电力、冶金、纺织等工业领域，可自动控制蒸汽、液体、气体、气体等介质。为了方便自力压差调节阀的选择和维护，有必要深入探索其基本原理。
对波纹管平衡自力压差调节阀的工作原理和优点进行了比较。
2、波纹管平衡自力压差调节阀的结构和原理
1、结构
波纹管平衡自力压差调节阀由阀体、阀杆、阀芯、波纹管平衡部件、阀座、弹簧、膜片、压力管组成。波纹管平衡部件的内腔与阀门出口相连，而波纹管平衡部件的外腔通过压力管与阀门入口相连。另一端通过压力管与阀门出口相连（见图1）。
2、工作原理
如图1所示，阀前压力P1.通过阀芯和阀座后，减少阀后压力P2，P2通过管道输入上膜室内反馈到调节阀执行部件膜，产生的力与弹簧的反应力平衡，确定阀芯和阀座的相对位置，控制阀后的压力P2。当P2升高时，P2.膜上的力也增加了。此时，膜上的力大于弹簧的反作用力，使阀芯移动到关闭阀座的位置。此时，阀芯与阀座之间的循环面积减少，流阻力增大，P2减少，直到膜上的作用力与弹簧反应力平衡，阀芯停留在新的平衡位置P2降低压力，达到设定值，阀后压力稳定。
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图1 波纹管平衡型自力式压差调节阀结构
三、波纹管平衡型与无平衡元件自力压差调节阀的比较
1.无平衡元件自力压差调节阀的应力分析
无平衡元件自力式压力调节阀的结构及其静态力平衡分析见图2，当工作点设定好以后，弹簧的预载一直增加，直到达到能够控制系统所要求的设定值：
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式中 FF———弹簧力；
kF———弹簧刚度；
x———弹簧压缩量；
FM———作用于膜片的力；
FK———作用于阀芯的力；
AM———膜片面积；
ΔP———上下游压差；
AS———阀座面积。
可以看出，系统的扰动变量是上下游的压差ΔP，流体通过阀体部件，上下游压力分别作用于阀芯阀杆。如果压差大或阀座直径大，阀芯力大，会增加阀芯与阀座之间的静摩擦和滑动摩擦。
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图2 无平衡元件的自力式压差调节阀
由于没有采取压力平衡措施，无平衡元件力压差调节阀的性能受调节阀进出口压力变化的影响较大，限制了调节阀的调节精度和适用压力范围。对于单个调节阀，其不平衡力较大，特别是在高压差大的情况下。为了减少不平衡的不利影响，提高调节阀的性能，设计了压力平衡系统，即波纹管平衡自力压差调节阀（见图3），通过压力管进出口压力进入压力平衡元件-波纹管内外表面，波纹管相应延长或缩短，平衡调节阀进出口压差对阀芯的扰动力，大大提高调节阀的性能。
2.波纹管平衡自力压差调节阀关键部件的应力分析
(1)分析波纹管平衡机构作用于阀芯的力
根据类型（1），弹簧刚度、膜有效面积和阀杆与填料之间的摩擦会产生非线性偏差和行程偏差，采用波纹管压力平衡机构，波纹管作为平衡阀芯力，下游压力P2作用于波纹管内表面，上游压力P1作用于波纹管外表面，使阀芯上下游的压力相互平衡：
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式中 AB———横截面积的波纹管；
FB———作用于波纹管的力。
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图3 波纹管平衡型自力式压差调节阀
如果AB、AS有效面积可保持恒定，假设阀芯阀杆的交叉面积被忽略，波纹管上的力可以补偿阀芯力FK是的，平衡阀芯力是为了实现控制过程的精度。
(2)自力压差调节阀膜片力的平衡分析
可以得出联立式(1)、式(2)
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式中 l———阀芯位移；
xpl———弹簧的预载压缩量。
根据公式(4)，弹簧的形变量随出口压力成比例变化x相当于阀门行程的变化。ΔP和Δl关系不变，基本上是由膜的大小和弹簧的刚度决定的静态常数。
(3)弹簧复位力
根据图3，弹簧复位力为：
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式中 x———弹簧、波纹管位移；
kB———波纹管刚度；
Fpl———弹簧预载附加力。
通过对图2和图3中静态平衡力的分析，压力平衡阀的执行力小于非平衡阀。根据类型（5），弹簧复位力也与波纹管的弹性有关。
四、波纹管平衡自力压差调节阀的选择和安装
1、特点
波纹管平衡自力压差调节阀具有以下特点。
(1)无需添加驱动能源的节能自控系统，设备成本低，适用于爆炸性环境。
(2)结构简单，维护工作量小。
(3)设定点可调，范围广，便于用户在设定范围内连续调整。
由于波纹管压差平衡机构，关闭时阀泄漏小，系统的扰动变量为阀前后压差，大大降低了阀芯的作用力。波纹管上的作用力用于补偿阀芯力，使调节阀反应灵敏，控制精度高，允许压差大。适用于工业生产过程中各种气体和蒸汽的精密稳压，特别适用于城市供热、供热、无外部供电、供气、需要控制流体和气体压力的场合。据报道，城市供热供热系统采用自力压差调节阀，节能效率比以前提高30%~40%，节能效果显著。
2.选择自力式压差调节阀
根据文献对气动薄膜执行机构的动态特性的分析可知，自力式压差调节阀是一种纯比例调节系统，比例控制的优点是反应快，控制及时，缺点是存在余差。调节精度一般为±5%～±10%。适用于质量要求不高的场合。
对于波纹管平衡自力压差调节阀和无平衡元件的自力压差调节阀，波纹管平衡自力压差调节阀反应灵敏，控制精度相对较高，允许压差较大，但波纹管平衡自力压差调节阀成本高于普通自力压差调节阀，使用寿命相对较低，管理维护复杂。
3、安装方法
波纹管平衡自力压差调节阀满足一般自力压差调节阀的安装要求，加热系统安装方法如图4所示。原则上，自力压差调节阀的安装方法应采用气体介质（执行机构在上，阀体在下）、液体和蒸汽介质。气体介质的温度高于70℃，低于140℃、液体介质温度高于140℃当自力压力调节阀除倒置外，还应在压力管道上安装隔离罐，并在压力管道、隔离罐和膜头上填充制冷剂，防止膜在高温下老化。
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图4 波纹管平衡自力压差调节阀安装示意图
从图4可以看出，在安装加热系统时，当介质温度小于70时，应注意℃当介质温度大于70时，自力式压力调节阀可正立安装℃自力压差调节阀应倒置安装。当介质温度较高时，倒置安装的主要原因是可以通过压力管上的冷凝器，防止压力管内高温蒸汽的流向与冷凝水相反，导致压力管堵塞；此外，执行机构膜一般不耐高温，如果高温蒸汽介质直接通过压力管作用于膜，膜的机械性能将降低。
五、结论
波纹管平衡自力压差调节阀采用有效的压力平衡措施，主要用于自动调节管道系统中的介质压力，输出恒定的压力值，防止管道中介质压力波动对管道和阀门造成损坏，确保管道系统的安全运行。波纹管作为平衡元件平衡阀芯力，使调节阀反应灵敏，控制精度高，允许压差大。
波纹管平衡自力压差调节阀可以依靠介质本身的压力变化来实现自动调节和稳定压力的目的，适用于蒸汽、非腐蚀性气体和低粘度液体，特别适用于城市供热、供热、无外部供电、供气等调节控制压力的质量要求不是很高。
参考文献
1.周国熙：调节阀的使用和维护，化工出版社(北京)，1997。
2，韩吉田 裘烈钧 李广文等：新型低压自力式压力调节器的研制，山东机械，1994(2)。
张永德：工艺控制装置，化工出版社(北京)，2000。
4.侯鹏倩：自力调节阀及其应用，石化自动化，2005(1)。
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