一、引言

目前自力式壓差調節閥無需外加能源，利用被調介質自身能量為動力源引入執行機構控制閥芯位置，改變兩端的壓差和流量，使閥前(或閥后)壓力穩定，具有動作靈敏，密封性好，壓力設定點波動力小等優點，它集檢測、控制、執行諸多功能于一閥，自成一個獨立的儀表控制系統。按閥后、閥前控制分為兩類，即自力式閥后(減壓)調節閥和自力式閥前(泄壓)調節閥，廣泛用于城市集中供熱、供水、供氣等民用行業及石油、化工、電力、冶金、輕紡等工業領域，可對蒸汽、液體、氣體及燃氣等介質進行減壓穩壓或泄壓穩壓的自動控制。為了方便自力式壓差調節閥的選型與維護，需要深入的探究其基本原理。

通過對比自力式閥后(減壓)類型的兩種自力式壓差調節閥，分析了波紋管平衡型自力式壓差調節閥的工作原理和優點。

二、波紋管平衡型自力式壓差調節閥的結構和原理

1、結構

波紋管平衡型自力式壓差調節閥由閥體、閥桿、閥芯、波紋管平衡件、閥座、彈簧、膜片、引壓管組成。波紋管平衡件內腔與閥出口連接，而波紋管平衡件外腔則通過引壓管與閥入口連接。作為執行機構膜片一端與閥桿連接，另一端則通過引壓管與閥出口連接(見圖1)。

2、工作原理

如圖1所示，閥前壓力P1經過閥芯、閥座后，減為閥后壓力P2，P2經過管道輸入上膜室內反饋作用到調節閥的執行元件膜片上，產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P2。當P2升高時，P2作用在膜片上的作用力也隨之增加。此時，膜片上的作用力大于彈簧的反作用力，使閥芯向關向閥座的位置移動。這時，閥芯與閥座之間的流通面積減少，流阻變大，P2降低，直到膜片上的作用力與彈簧反作用力相平衡為止，閥芯便停留在新的平衡位置上，從而使P2降低，壓力達到設定值，閥后壓力得到穩定。

圖1　波紋管平衡型自力式壓差調節閥結構

三、波紋管平衡型與無平衡元件的自力式壓差調節閥的比較

1、無平衡元件的自力式壓差調節閥的受力分析

無平衡元件自力式壓力調節閥的結構及其靜態力平衡分析見圖2，當工作點設定好以后，彈簧的預載一直增加，直到達到能夠控制系統所要求的設定值：

式中　F_F———彈簧力；
　　　k_F———彈簧剛度；
　　　x———彈簧壓縮量；
　　　F_M———作用于膜片上的力；
　　　F_K———作用于閥芯上的力；
　　　A_M———膜片面積；
　 　ΔP———上下游壓差；
　　　A_S———閥座面積。

由式(1)可知，系統的擾動變量是上下游壓力差ΔP，流體通過閥體部件，上下游壓力分別作用于閥芯閥桿上，閥芯受到靜壓和動壓所產生的作用力，如果壓力差很大或閥座直徑大由此產生的閥芯力也就很大，將會增加閥體內閥芯與閥座之間的靜摩擦力和滑動摩擦力。

圖2　無平衡元件的自力式壓差調節閥

由于沒有采取壓力平衡措施，無平衡元件自力式壓差調節閥的性能受調節閥進出口壓力變化影響較大，導致調節閥的調節精度和適用壓力范圍受到限制。對于單座調節閥，其不平衡力較大，特別在高壓差大口徑場合不平衡力則更大。為了減少不平衡力的不利影響，提高調節閥性能，在設計中設計了壓力平衡系統，即波紋管平衡型自力式壓差調節閥(見圖3)，通過引壓管將調節閥進出口壓力引入到壓力平衡元件———波紋管的內外表面，波紋管將相應的伸長或縮短，從而平衡了調節閥進出口壓差對閥芯的擾動作用力，使調節閥的性能有較大提高。

2、波紋管平衡型自力式壓差調節閥關鍵部件的受力分析

(1)波紋管平衡機構作用于閥芯的力的分析

由式(1)可知，彈簧剛度的變化、薄膜有效面積的變化以及閥桿和填料之間的摩擦力會使執行機構產生非線形偏差和行程偏差，采用了波紋管壓力平衡機構，由波紋管作為平衡件平衡閥芯力，下游壓力P2作用于波紋管內表面，上游壓力P1作用于波紋管外表面，這樣作用于閥芯上的上游和下游的壓力就可相互平衡：

式中　A_B———波紋管橫截面積；
　 　　F_B———作用于波紋管的力。

圖3　波紋管平衡型自力式壓差調節閥

如果A_B、A_S的有效面積可以保持恒等，并且假設閥芯閥桿的相交叉部分面積忽略不計，用作用在波紋管上的力是可以補償閥芯力FK的，平衡閥芯力是為了實現控制過程的精度。

(2)自力式壓差調節閥膜片力的平衡分析

聯立式(1)、式(2)可以得出：

式中　l———閥芯位移；
　 x_pl———彈簧的預載壓縮量。

由式(4)可知，隨著出口壓力成比例變化的彈簧的形變量x的變化等同于閥門行程的變化。ΔP和Δl的關系是不變的，基本上是膜片的大小及彈簧的剛度所決定的一個靜態常數。

(3)彈簧復位力

根據圖3，彈簧復位力為：

式中　x———彈簧、波紋管位移；
　　k_B———波紋管剛度；
　　F_pl———彈簧預載附加力。

由圖2和圖3中靜態平衡力的分析比較可得，壓力平衡閥相對于非平衡閥要求較小的執行機構力。又根據式(5)可知，彈簧復位力與波紋管的彈性也有關連。

四、波紋管平衡型自力式壓差調節閥的選用和安裝

1、特點

波紋管平衡型自力式壓差調節閥具有以下特點。

(1)無需外加驅動能源的節能型自控系統，設備費用低，適用于爆炸性環境。
(2)結構簡單，維護工作量小。
(3)設定點可調，且范圍較寬，便于用戶在設定范圍內連續調整。

由于其具有波紋管壓差平衡機構，關閉時閥泄漏量小，并且系統的擾動變量是閥前、閥后壓力差，對閥芯的作用力大大減小，作用在波紋管上的力用來補償閥芯力，使得調節閥反應靈敏、控制精度較高、允許壓差較大。適用于工業生產過程中對各種氣體、蒸汽進行精密穩壓的場合，特別適用于城市供熱、供暖及無外界供電、供氣且又需控制流體及氣體壓力的場合。據報道，城市供熱、供暖系統采用自力式壓差調節閥，節能效率比以前提高30%～40%，節能效果顯著。

2、自力式壓差調節閥的選用

根據文獻對氣動薄膜執行機構的動態特性的分析可知，自力式壓差調節閥是一種純比例調節系統，比例控制的優點是反應快，控制及時，缺點是存在余差。調節精度一般為±5%～±10%。適用于調節品質要求不是很高的場合。

對波紋管平衡型自力式壓差調節閥與無平衡元件的自力式壓差調節閥的比較可知，波紋管平衡型自力式壓差調節閥反應靈敏，控制精度相對較高，允許壓差較大，但是波紋管平衡型自力式壓差調節閥相對于普通自力式壓差調節閥造價較高，使用壽命由于有波紋管平衡件原因而相對較低，管理維護也較為復雜。

3、安裝方法

波紋管平衡型自力式壓差調節閥符合一般自力式壓差調節閥的安裝要求，在供熱系統中安裝方式如圖4所示。自力式壓差調節閥安裝方式原則上宜采用氣體介質正立安裝(執行機構在上、閥體在下)，液體與蒸汽介質倒裝。氣體介質溫度高于70℃，低于140℃、液體介質溫度高于140℃時，自力式壓力調節閥除采用倒裝外，還應在引壓管路上加裝隔離罐，并應在引壓管路、隔離罐、膜頭處注滿冷媒，以防膜片受高溫老化。

圖4 波紋管平衡型自力式壓差調節閥安裝示意圖

由圖4可知，在安裝供熱系統時要注意，當介質溫度小于70℃時，自力式壓力調節閥可采用正立安裝，而當介質溫度大于70℃時，自力式壓差調節閥應采用倒立安裝。當介質溫度較高采用倒立安裝的主要原因是，倒立安裝可通過引壓管上裝有的冷凝器，以防引壓管內高溫蒸汽的流向與冷凝水的流向相反而造成引壓管阻塞；再者，執行機構膜片一般不耐高溫，若高溫蒸汽介質直接通過引壓管作用于膜片，膜片的力學性能將會下降。

五、結論

波紋管平衡型自力式壓差調節閥采用有效的壓力平衡措施，主要用于對管道系統中的介質壓力進行自動調節，并輸出恒定的壓力值，以防止管道內介質壓力的波動而造成管道及閥門的損壞，保證管道系統的安全運行。由波紋管作為平衡元件平衡閥芯力，使調節閥反應靈敏、控制精度高、允許壓差大。

波紋管平衡型自力式壓差調節閥能依靠介質自身的壓力變化達到自動調節和穩定壓力的目的，適用于蒸汽、非腐蝕性氣體及低粘度液體的場合，特別適用于城市供熱、供暖及無外界供電、供氣等對調節品質要求不是很高的控制壓力的場合。

參考文獻

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