氮封閥（自力式調(diào)節(jié)閥）是一種無需外來能源，依靠被測介質(zhì)自身壓力或溫度或流量變化，按預(yù)先設(shè)定值，進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的控制裝置，是一種節(jié)能型儀表。它集控制、執(zhí)行諸多功能于一身。自成1個獨(dú)立的儀表控制系統(tǒng)。集變送器、控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能于一體。不同于一般含義上的控制閥。
氮封閥（自力式調(diào)節(jié)閥）有自力式壓力（微壓）調(diào)節(jié)閥、自力式（壓差）流量調(diào)節(jié)閥、自力式溫度調(diào)節(jié)閥等幾類。自力式壓力調(diào)節(jié)閥是其家族成員之一，由于它無需外來能源，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于城市供熱、供曖及沒有供電、供氣又需控制的場合。據(jù)德國報道，城市供熱、供暖系統(tǒng)采用該產(chǎn)品，熱效率比以前提高30%~40% 。節(jié)能效果顯著。
本文僅就氮封閥（自力式壓力調(diào)節(jié)閥）的原理、結(jié)構(gòu)特性及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行論述。
1 自力式壓力調(diào)節(jié)閥分類及工作原理
1.1 自力式壓力調(diào)節(jié)閥的分類
1）按閥后、閥前控制分為兩類：自力式閥后（減壓）控制閥；自力式閥前（泄壓）控制閥。
2）按是否帶指揮器分為兩大類：直接作用型自力式調(diào)節(jié)閥，如圖1所示；指揮器操作型自力式調(diào)節(jié)閥，如圖2所示。
1.2 工作原理
1）自力式閥后壓力調(diào)節(jié)的工作原理。閥前壓力P1經(jīng)過閥芯、閥座的節(jié)流后，變?yōu)殚y后壓力P2。P2經(jīng)過管線輸入上膜室內(nèi)作用在頂盤上，產(chǎn)生的作用力與彈簧的反作用力相平衡，決定了閥芯、閥座的相對位置，控制閥后壓力。當(dāng)P2增加時，P2作用在頂盤上的作用力也隨之增加。此時，頂盤上的作用力大于彈簧的反作用力，使閥芯關(guān)向閥座的位置。這時，閥芯與閥座之間的流通面積減少，流阻變大，P2降低，直到頂盤上的作用力與彈簧反作用力相平衡為止，從而使P2降為設(shè)定值。同理，當(dāng)P2降低時。作用方向與上述相反，這就是閥后壓力調(diào)節(jié)的工作原理。
2）自力式閥前壓力調(diào)節(jié)的工作原理同閥后壓力調(diào)節(jié)的工作原理,應(yīng)注意閥芯反裝。
1.3 自力式壓力調(diào)節(jié)閥與控制閥的區(qū)別
這兩類產(chǎn)品的區(qū)別，主要在于控制閥既需要外界能源（如電源或氣源）做驅(qū)動能，又需要接受外來控制儀表信號才能改變閥內(nèi)截流件相對位置，從而實(shí)現(xiàn)改變流體流量。而自力式壓力調(diào)節(jié)閥則既不需外來能源，又不需要接受外來控制儀表信號，僅靠被調(diào)介質(zhì)的壓力信號，便可實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。兩者區(qū)別可見圖5。
2 自力式壓力調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)
由于自力式壓力調(diào)節(jié)閥沒有外來驅(qū)動能源。因此該產(chǎn)品的操作力較小，它具有如下特點(diǎn)。
1）平衡式閥芯結(jié)構(gòu)，如平衡型單座。雙閥芯平衡型，套筒平衡型等。
2）快開流量特性，其閥芯為平板型。
3）公稱通徑與閥體特征：DN20~100mm（或125）。閥上設(shè)有波紋管，閥芯為單座（有的廠家產(chǎn)品DN20mm的沒波紋管，閥芯也為單座）；公稱通徑大于100mm 時。閥上蓋內(nèi)不設(shè)波紋管，閥芯為雙閥芯或套筒結(jié)構(gòu)。
4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)種類推薦：設(shè)定值≤0.6MPa時，選薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)；設(shè)定值>0.6 MPa時，選氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
3 安裝方式
3.1 直管段的設(shè)置
自力式壓力調(diào)節(jié)閥前、后應(yīng)盡量保持一定的直管段（一般為6D（管徑）左右）。閥前取壓點(diǎn)距閥的距離應(yīng)大于2D；閥后取壓應(yīng)大于6D。閥前、后還應(yīng)裝有壓力表，壓力表應(yīng)靠近取壓點(diǎn)，以便使設(shè)定值與取壓值真實(shí)一致。
3.2 旁路系統(tǒng)的設(shè)置
為保證檢修及出故障時生產(chǎn)能繼續(xù)運(yùn)行，最好設(shè)置旁路系統(tǒng)，如圖6所示。
3.3 過濾器的設(shè)置
該系統(tǒng)中的過濾器在工藝介質(zhì)干凈、沒雜質(zhì)的情況下，可以省略。
當(dāng)介質(zhì)中有雜質(zhì)或用帶指揮器的自力式壓力調(diào)節(jié)閥時應(yīng)裝過濾器，以防阻塞引壓管路或指揮器、卡死氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥芯等。
注：圖中虛線所示的取壓法不提倡
若限于管路安裝空間或經(jīng)費(fèi)，可將過濾網(wǎng)裝在閥前的截止閥上游處。取代過濾器。
3.4 安裝方式與介質(zhì)、溫度的關(guān)系
1）自力式壓力調(diào)節(jié)閥安裝方式原則上宜采用，氣體介質(zhì)正立安裝（執(zhí)行機(jī)構(gòu)在上、閥體在下），液體與蒸汽介質(zhì)倒裝。
2）氣體介質(zhì)溫度高于70℃低于140℃ 、液體介質(zhì)溫度高于140℃時，自力式壓力調(diào)節(jié)閥除采用倒裝外，還應(yīng)在引壓管路上加裝隔離罐，并應(yīng)在引壓管路、隔離罐、膜頭處注滿冷媒，以防膜片受高溫老化。
3）氣體介質(zhì)溫度高于70℃低于140℃時.若仍采用正立安裝，應(yīng)在設(shè)計文件（設(shè)備表）中注明采用高溫膜片（如乙丙橡膠膜片、硅橡膠膜片等），否則會造成普通膜片老化。
4 應(yīng)用及注意事項(xiàng)
4.1 適用場所的應(yīng)用及注意事項(xiàng)
自力式壓力調(diào)節(jié)閥主要適用于沒有腐蝕性且黏度低的液體、氣體、蒸汽（最高溫度可達(dá)300~350℃）等介質(zhì)的壓力控制。如輕質(zhì)油品、水、水蒸汽、空氣等。在設(shè)計條件提供與閥門選用時應(yīng)注意以下情況。
1）所提閥前、閥后壓力及設(shè)定值條件應(yīng)接近實(shí)際工藝條件。
自力式壓力調(diào)節(jié)閥對所提工藝條件的要求較一般控制閥要嚴(yán)謹(jǐn)。工藝參數(shù)確定后，不允許有較大范圍的更改。由于該類產(chǎn)品所允許的設(shè)定值調(diào)整范圍較小。一般直接作用型調(diào)節(jié)閥其設(shè)定值允許偏差為±8%、帶指揮器操作型調(diào)節(jié)閥其設(shè)定值允許偏差±4%左右。若超出設(shè)定彈簧的允許調(diào)壓值，為達(dá)到原設(shè)定值要求，則必須通過更換設(shè)定彈簧的辦法才可實(shí)現(xiàn)，這需送回生產(chǎn)廠才能完成。
2）選用允許壓差時，應(yīng)注意到該產(chǎn)品的允許壓差值小的特點(diǎn)。這是由于該產(chǎn)品輸出力小及波紋管內(nèi)外允許壓差小，導(dǎo)致允許壓差較普通控制閥小，且無法像普通控制閥可通過提高供氣壓力來增大壓差。特別在小口徑時兩者壓差相差更大。如表1所列。
表1 允許壓差比較表
DN/mm | 15 | 20 | 25 | 40 | 50 |
Δp（直接作用型壓力調(diào)節(jié)閥）/MPa | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 |
Δp（ZJHP精小型單座調(diào)節(jié)閥）/MPa |
| 6.4 | 6.4 | 6.4 | 3.39 |
注：Δp為允許差壓。
3）因該產(chǎn)品調(diào)節(jié)精度為±5%及流量特性為快開特性所致，因此只適用無外來能源和調(diào)節(jié)品質(zhì)要求不高的場合。
4）該產(chǎn)品不宜在往復(fù)泵出口壓力—流量調(diào)節(jié)方案中使用。該方案是旁路調(diào)節(jié)法常見方法之一。在該方案選型時，應(yīng)注意其壓力控制回路不宜“采用直接作用式（自力式）壓力調(diào)節(jié)閥”。
這是因?yàn)闉榇_保自力式壓力調(diào)節(jié)閥正常工作，該產(chǎn)品要求工藝參數(shù)確定后，不允許有較大范圍的變動。若用于往復(fù)泵時，由于往復(fù)泵輸出流量是周期性脈動，造成該閥在設(shè)定值附近處于周期性脈動，因而達(dá)不到穩(wěn)定壓力的作用，使整個控制系統(tǒng)無法正常工作。
以上分析可知，自力式閥前控制閥用于往復(fù)泵出口做泄壓控制是可行的方案。即該閥在設(shè)定值附近處于周期性脈動，使泵出口壓力不超出設(shè)定壓力值。該方案已在上海煉油廠罐裝站應(yīng)用多年。
4.2 特殊介質(zhì)中的應(yīng)用及注意事項(xiàng)
4.2.1 黏度較高的介質(zhì)中的應(yīng)用
從自力式壓力調(diào)節(jié)閥的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知。該產(chǎn)品能否應(yīng)用在黏度較高的介質(zhì)場合，就需從下述兩方面綜合考慮。
1）被調(diào)介質(zhì)黏度對執(zhí)行機(jī)構(gòu)—引壓管、指揮器、膜片的影響。為避免這方面的影響，可采取在引壓管上加裝隔離罐，注滿隔離液，以使黏稠介質(zhì)不堵塞引壓管和進(jìn)入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)，影響被調(diào)介質(zhì)作用力的傳送。
2）被調(diào)介質(zhì)黏度對閥內(nèi)件及平衡元件—波紋管的影響。
這是由于被調(diào)介質(zhì)流過閥內(nèi)件時，將被引入平衡壓力元件—波紋管內(nèi)與外，黏度過高將使其無法起到壓力平衡作用。若介質(zhì)在停工后易凝固也將使波紋管無法在開工后正常工作。
上述分析，歸根結(jié)底是介質(zhì)黏度值的界定問題。目前，國內(nèi)制造廠的產(chǎn)品樣本未見推薦值。國外已有廠家推薦，在油和液體情況下，允許使用的介質(zhì)運(yùn)動黏度為600mPa?S；Samson允許的介質(zhì)黏度為100mPa?s（密度0.8）。
只有當(dāng)上述兩要求均滿足時，才能使用。這已有很多實(shí)例證明。如上海中泰自動化儀表廠生產(chǎn)的該類產(chǎn)品，已在上海石化廠罐區(qū)乙焦油壓控上（黏度為190mPa?S）、延安煉油廠燃料油—重油壓控上（黏度為135mPa?s）使用多年。
4.2.2 高黏度的介質(zhì)不宜使用
4.2.3 不允許泄漏的氣體介質(zhì)中的應(yīng)用
不允許泄漏的氣體介質(zhì)使用時，出于安全原因及避免貴重氣體浪費(fèi)因素，應(yīng)考慮下述兩點(diǎn)。
1）填料函及其他連接處的密封性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。
該產(chǎn)品應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4123-92氣動調(diào)節(jié)閥要求無滲漏現(xiàn)象，這一點(diǎn)同一般控制閥要求一樣。
2）氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣室密封性要求要確保無滲漏。
該產(chǎn)品要求比GB/T4123-92規(guī)定高，不允許滲漏。因?yàn)镚B/T4123-92標(biāo)準(zhǔn)對氣室的密封性規(guī)定：“氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣室應(yīng)保證氣密性。在額定氣源壓力下，5min內(nèi)薄膜氣室內(nèi)的壓力下降不得大于2.5kPa；”
國內(nèi)該類產(chǎn)品鑒于沒統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，有不少產(chǎn)品對該項(xiàng)要求不嚴(yán)或沒考慮此種氣體介質(zhì)使用要求，僅參照GB/T4123-92生產(chǎn)，這對安全生產(chǎn)或節(jié)約貴重原料造成不利。因此該產(chǎn)品不適宜用于液化氣減壓，若要采用，需要與制造廠詳細(xì)討論。
4.2.4 使用在腐蝕性介質(zhì)場合應(yīng)慎重對待
該產(chǎn)品使用在腐蝕性介質(zhì)場合，與使用在黏度較高的場合一樣，需要從介質(zhì)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩大部件耐腐蝕性進(jìn)行雙重考慮，只有兩者均滿足時才可使用。由此可見，它比控制閥要求更復(fù)雜，使用面更狹窄。
為便于設(shè)計人員在腐蝕性介質(zhì)場合的選用，現(xiàn)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)抗腐材料現(xiàn)狀列于表2，供參考。
以波紋管平衡型閥為例，由于目前國內(nèi)波紋管的防腐蝕材料只能做到304和316。僅從調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上選，它將無法使用在氯氣、次氯酸鈉、液氯、鉻酸、鹽酸、硫酸、氯化鋅等介質(zhì)。增大了使用局限性。
在這種介質(zhì)中使用時，快捷的辦法是，設(shè)計和制造單位根據(jù)工藝條件和要求及制造水平共同確認(rèn)能否使用。
自力式壓力調(diào)節(jié)閥的計算同控制閥，不再贅述。
表2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)抗腐蝕材料
上、下膜蓋 | 碳鋼，304，316，蒙乃爾合金，哈氏合金 |
汽缸 | 碳鋼，304，316，蒙乃爾合金，哈氏合金 |
膜片 | 氟橡膠，聚四氟乙烯（1） |
閥體 | 碳鋼，304，316，蒙乃爾合金，哈氏合金 |
閥內(nèi)件 | 碳鋼，304，316，蒙乃爾合金，哈氏合金 |
波紋管 | 304，316（2） |
氮封閥-自力式調(diào)節(jié)閥-氣動調(diào)節(jié)閥-電動調(diào)節(jié)閥-杜伯拉閥門
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