自力式差压控制阀的研制及在循环压缩机上的应用

1 前言

    我院改建的中型试验装置上，为控制氢气循环压缩机进出口的压差，原设计采用了下述的控制流程（见图1）。该流程的工作过程简述如下：

    循环氢和新氢经氢气循环压缩机增压至P1后，经调节阀1调节后，维持一定的系统氢气流量。当反应系统的条件改变而引起系统氢气流量变化后，调节阀1调节节流面积以维持系统氢气流量的恒定。由于压缩机的流量没有变化，P1将随着调节阀1节流面积的变化而变化，当P1超过压力变送器的给定压力后，调节阀2开启，使多余的氢气返回压缩机入口。原设计控制差压的系统需使用气动调节阀、压力变送器及配套仪表，投资约为1.5万元左右。笔者经研究认为，可以用一个自力式的差压控制阀取代，但目前国内尚无此类定型产品。为此，笔者设计了一种高压差压控制阀，投资仅数百元，且可完全满足使用要求。

2 差压控制阀的设计

    工作条件压力20MPa，介质为氢气、少量硫化氢及油气，最大工作差压0~1MPa，流量范围0~60Nm3/h。

    差压控制阀采用上、下游压力平衡的原理设计，差压控制靠调节弹簧的压缩量控制。一般文献或专利所见的差压控制阀都采用滑阀结构，本文的应用场合是高压，且气体中含有少量杂质，采用滑阀结构很容易堵塞，笔者设计成锥阀结构（见图2）。差压控制阀的阀芯为锥型，调差压弹簧放在流体中，弹簧与手柄之间用O形圈密封。

    对锥型阀芯略去液动力外，其力平衡方程为

    1/4πd2×（P1- P）=F

    式中：d——阀孔直径；F——弹簧力

    增大弹簧压缩量即增大循环压缩机进出口压差，缩小弹簧压缩量即缩小循环压缩机进出口压差。为防止腐蚀，弹簧采用不锈钢材质。由于弹簧的刚度直接影响差压控制阀的差压控制精度，在满足最大工作差压的条件下，应尽量降低弹簧的刚度。弹簧的刚度和阀孔的大小也有直接的关系，阀孔直径越大，弹簧刚度越大，反之越小，因此，在满足最大流量的条件下．尽量减少阀孔的直径。其它设计本文不再赘述。

3 应用

    应用前，笔者对该阀进行了简单测试。差压控制阀主要的性能有两个：一个是流量特性，即流经该阀的流量发生变化时，该阀控制的差压变化范围；另一个是压力特性，即该阀的出口压力或入口压力变化时该阀控制的差压变化范围。测试条件是在最大流量时变动35%，压力在最大压力为10MPa时变动30%。

    经初步测试，该阀的差压控制精度分别达到4%和2%以内。将该阀装入系统内，控制流程见图3。操作时可根据该阀的上下游压力表设定差压。在设计的工作范围内，该阀工作正常，控制差压精度完全可以满足系统要求，且较原来的控制方案节省了许多资金。除控制循环压缩机的循环流量外，该阀还可以应用在需要控制差压的其它领域，尤其是高压场合。