姜纪财 JIANG Ji-cai

（杭州佳能阀门有限公司，富阳 311400）

0 引言

自力式调节阀又称自力式控制阀，通过将管道阀体内流体介质的压力、流量等属性作为驱动阀门的动力源，完成自动控制阀门操作。自力式调节阀主要用来平衡稳定阀体前后压力、温度、流量，相比于外接动力电源的调节阀，重点是控制介质稳定平衡而不是调节。自力式调节阀由于结构简单，操作简易，维护检修作业量较少，尤其是不需要辅助外置电源的特点，被广泛应用于石油、供暖、供气等没有供电且又需要进行控制的场所。

1 自力式调节阀分类

自力式调节阀按照执行机构分为活塞式和薄膜式；根据阀座的形式，可以划分为三种类型，即是单、双、套筒式；根据控制参数分类能将其分为四类：一是控制管网中某分支流量；二是控制某部分压差；三是控制接交换设备的出口温度；四是控制供暖系统的温度。按照作用方式可以分直接作用方式和间接作用方式，直接作用式调节阀通过弹簧弹力与反馈信号平衡的原理完成调节阀的自动调节；间接作用式调节阀则新增了一个先导阀装置，该装置通过将放大后的反馈信号作用于执行机构，由执行机构驱动主阀阀杆，由阀杆带动阀芯，从而达到调整阀门开合程度的目的，进而实现平衡调整管道参数的作用；从用途分区进行分析，自力式调节阀门又可以划分为温度、压力与流量控制阀，压力调节阀的反馈信号是调节阀的前端或后端压力，当压力信号通过信号管传入执行机构完成开关调节操作。如果是流量调节阀，一般在阀门出口设置一个阻力装置，通常阻力装置为一个孔板，孔板两端的压差信号经过采集后传入到执行机构，然后由执行机构完成流量调节。温度调节阀则是在阀门出口设置温度传感装置或者温包，通过温度传感器内介质热胀冷缩的变化来驱动执行机构。具体分类见表1。

表1 自力式调节阀分类表

2 自力式调节阀工作原理及特点

2.1 自力式调节阀的工作原理

2.1.1 自力式压力调节阀工作原理

自力式压力调节阀按照取压点位置可分为阀前与阀后两类，结合生产需要，需要调节阀前压力恒定的则将取压点设置在阀前，设置在阀后的则是为了调节阀后压力恒定。对于蒸汽等高温介质，为更好保护执行结构的膜片，避免膜片因高温受损，一般会采用冷凝器来降低介质温度，提高设备使用寿命。以阀后取压点为例（见图1），当管道流体介质流经调节阀阀座后，由设置在阀后的引压管将阀后压力传输到执行机构的上腔室内，阀后压力作用于腔体内的托盘上，与支撑托盘的弹簧形成作用力与反作用力，通过这两组力的相互作用，实现阀后压力的调节，即当阀后压力大于弹簧压力时，弹簧会带动执行机构推动阀芯向阀座的位置，由于阀芯与阀座之间流通面积的减小，流体介质经过阀后压力降低，又促使腔内作用于托盘的压力降低，弹簧反作用力加强，直至阀后压力与弹簧反作用力达到一个平衡状态，从而维持了阀后压力的恒定。相反，当阀后压力减少时，弹簧的弹力会将阀芯与阀座之间的流通面积变大，进而提高阀后压力，进一步提升腔内压力，抑制弹簧作用力增大，实现自力式压力调节的功能。除了取压点的不同外，取压方式也分为阀门本体取压和管道取压两种方式，具体方式选用要结合现场实际确定。

图1 自力式压力调节阀示意图

2.1.2 自力式温度调节阀的工作原理

自力式温度调节阀的工作原理主要是利用温包内液体的热胀冷缩原理来实现调节阀的自我控制，当流体介质温度升高时，温包内的工作液体体积将急速膨胀，进而带动容器内的压力增大，压力推动波纹管向上移动，波纹管推动阀芯接近阀座，阀门关小迫使介质温度趋向预设值，阀芯维持一个新的平衡，阀芯移动的比例大小与被测温度有着密切的关系，这就产生了一定的比例调节特性。自力式调节阀还可以根据温度升高后阀门的启闭情况，分为温度升高阀开启和温度升高阀关闭两种形式，前者为K 型，通常多用于温度冷却调节，后者为B 型，常用于温度加热调节。

2.1.3 自力式流量调节阀的工作原理

自力式流量调节阀又称恒流量调节阀或流量限制器，它具有调节流量恒定的功能，通过压差控制装置和流量调节装置整合而成的调节阀。工作原理为：通过采取压差控制装置对前后调节阀进行控制，当前后的压力差超过恒流启动标准以后，阀门通过的流量将不再随阀门前后压差而发生改变，在压差控制器的调节范围内，阀门内某一阀芯开度的介质流量将自动保持恒定不变的状态，而流量的变化通过调整阀芯的开度即可完成，无需关注阀门前后的压力大小。该类型阀门常用于城市集中供暖以及中央空调的循环水系统中。

2.2 自力式调节阀的特点

自力式调节阀特点如下：一是设备价格低廉，运行成本较低，结构简单，操作安装简便。设备驱动不需要外部电源供给等辅助能源，仅依靠管道输送的介质的压力、温度、流量等属性即可完成管道的控制调节，适应范围广泛，若采用其他方式进行管网调节，不仅需要电源或压缩空气作为动力驱动，同时管网结构将更加复杂，且给后期运行带来不便，维护成本也将大大增加，同时安全可靠性也无法保障。

二是自力式调节阀运行稳定可靠，自力式调节阀通过各种控制要素如信号收集、扩大、传输、控制、实施融为一体，通过利用流体力学和气动原理，利用简单的结构装置完成整个的阀门调节控制过程，并且稳定可靠。以调节阀控制管道内介质温度为例，自力式温度调节阀直接把介质的热能转换成机械能，再将机械能处理放大后作用在控制主阀上，跟先将热能转换成电能、再转化成机械能相比减少了能量转化环节，同时也省去了电控仪表装置和二次能源的安装。又如压力控制，自力式压力调节阀仅依靠压力变化信号便能对压力进行控制，而其它方法则需通过多个形式能量转换或多级操作才能实现控制要求。三是自力式调节阀结构简单，密封性好，阀门结构中的信号感应、传动部件与主阀相互独立密封，不会像其他控制设备一样出现因内部零件磨损、偏移而出现的滴、冒、漏现象。

3 自力式调节阀选择要点及注意事项

3.1 自力式调节阀的选择要点

在管道的自动控制系统中，自力式调节阀既是节流元件，同时还承受着管道介质一定压力与温度的容器，因此在选择自力式调节阀时不仅要考虑其是否工艺需求，还要保证其安全与稳定性。

3.1.1 一般选择原则

在进行自力式调节阀选择时，需结合输送介质的属性特性、温度、压力及工艺要求的特点，按照以下原则：调节阀的结构形式需满足介质温度、压力、腐蚀性、流动性、密封性以及控制范围等要求；调节阀材料需满足介质温度、压力、腐蚀性要求；调节阀的额定流量系数与管径需满足生产工艺的流量需求；调节阀的允许压差与实际现场压差要相符；调节阀的现场使用条件要与计算设计时的设定一致。

3.1.2 自力式调节阀材料与工作温度的选择

在挑选调节阀时要考虑材料硬度、耐腐蚀、耐高温及耐低温的特性，在确保调节阀安全稳定的前提下，进一步考虑调节阀的产品性能、使用寿命及经济成本。在满足需要的前提下，应尽量选择性价比高的材料。通常情况下，调节阀的阀体与阀盖大多采用铸钢、不锈钢等材质，而阀内组件通常采用耐腐蚀性能优的不锈钢材料制造。

3.1.3 自力式调节阀公称压力及压差的选择

在调节阀公称压力选择时，需要根据设计要求最大压力进行确定，同时对工艺的温度条件进行分析。通常情况下处于特定温度环境下，公称压力是依照强度条件来确定，如果工作温度超过基准温度，允许的最大工作压力必定低于调节阀公称压力，因此在选择调节阀公称压力时，必须对照工艺温度条件进行综合考虑。在选用调节阀时，除了考虑公称压力以外，还要从执行部件推力的角度，认真分析调节阀是否可以正常工作，即最大工作压差是否在调节阀的允许压差范围内，否则调节阀将存在安全隐患。

3.1.4 自力式调节阀的流量系数

调节阀的一个重要参数叫做流量系数，又称流通能力，指的是流体通过调节阀的能力，反映了调节阀的容量。通过流量系数来确定调节阀的额定流量系数，进而确定调节阀的公称通径。一旦选择的调节阀额定流量系数过大，那么调节阀将长期处于阀芯小开度的工作状态，会对调节阀的控制精度造成影响，导致阀门出现振荡和噪音，影响到调节阀的使用寿命。同理，当选择的调节阀额定流量系数过小时，阀体开度则会过大，调节阀超负荷的运行不仅无法满足工艺流量要求，还极有可能发生事故，造成不必要的经济损失。因此在选择调节阀时，需要准确计算所需的流量系数值。

3.2 自力式调节阀选择时的注意事项

自力式调节阀的选择受实际工况条件与理论计算不一致影响，以及环境因素差异变动的影响等客观及不可预见因素的影响，往往造成理论计算数据与实际选择的自力式调节阀无法满足现场实际需求，例如选择的调节阀口径与管道不一致、材料与公称压力不相符等情况，不仅容易造成浪费同时还非常容易引起安全事故。因此在自力式调节阀选择时需重点注意以下事项：自力式调节阀多应在被控参数恒定的工况场合，且设定的被控参数需在调节阀的调整范围内并有一定余量，而对于被控参数需经常调整的场合，多应用气动或电动调节阀；自力式温度调节阀不适用于温度变化速度较大的场合，当液体介质温度超过140℃时，自力式压力调节阀采用倒装，引压管线需安装隔离罐，以防调节阀膜片受高温老化，安装隔离罐时要求其位置需高于调节阀执行机构，低于阀前后的接管，当液体介质温度超过200℃时，还需在控制阀与执行机构之间加装散热片；当介质为非洁净流体时，需在阀前安装过滤器防止杂质或介质堵塞阀门；低粘度液体或气体通常自力式压力调节阀通常直立安装，高年度液体或蒸汽则采用倒立式安装方式，蒸汽介质的调节阀需安装冷凝器，安装位置应低于阀前后接管高于执行机构，冷凝器使用前应装满冷水，并定期补充冷凝器水量。

4 自力式调节阀的应用

自力式调节阀在原油开采与运输中应用极为广泛，由于油田多为野外作业，原油从油田被抽出后需要进行集中处理，由于处理的原油分布广且多为人烟稀少的荒野；在原油生产中，由于油气水产量的波动较大，人工调节又无法保证，这就需要通过自力式调节阀进行自动控制。自力式调节阀可以有效解决油田站点分散，信号传输距离远无法实现自动化控制，同时外置动力源配置成本高，工程造价高的问题。

另外在斜板除油器橇块中也用到了自力式调节阀。通过两个调节阀来控制罐体内的进出口压力，在入口的减压阀可以确保罐体入口压力保持在一定的范围内，出口的泄压阀又能保证罐体内压力不超过设定值，入口的减压阀与出口的泄压阀配合使用，能够保证罐体内压力保持在一定范围内，从而使罐内介质保持基本稳定状态。

自力式调节阀在船舶主燃汽轮机供油系统也得到广泛应用，当船舶速度在发生骤然变化的过程中，燃机进油口的压力信号将作为调节阀开度变化的重要参考量，从而确保燃机进油口的稳定压力。燃机进油口的压力会随着船舶速度的骤变而发生改变，安装在管路旁通的燃油压力调节阀便开始对进油口压力进行调整。当进油口的压力低于调节阀设定值时，调节阀会自动提高燃机进油口的压力值。当燃机进油口的压力高于调节阀的设定值时，调节阀又可以降低燃机进油口压力。整个过程通过利用进油口压力与弹簧弹力的平衡，调整调节阀阀芯的位置来达到调节压力平衡的稳定，确保燃机进油口压力值在设定范围内。

在分户计量供暖系统中，由于各分支用户根据生活需要自主调节地暖水流量大小，为避免对其他用户造成影响同时消缺外网富余的水流压力，通常会在供暖回水段安装自力式压差控制阀，具体安装位置见图2，当网路的供水、回水压差P1-P3 增大，阀芯下移，使得P2-P3增大，保持P1-P2 恒定；相反，当P1-P3 减小时，阀芯上移，P2-P3 减小，使P1-P2 保持不变。若P1-P3 不变，如图2 所示，随着某一支路闭合，则环路的总阻力增大，在这个瞬间，P2 减小，P1-P2 增大；随着感压膜平衡状态消失，阀芯下移，压差控制阀的阻力增大，从而使P2 又回升到原来的大小，即P1-P2 不变。综上，不管是出现网路压力波动，还是分支管路的阻力变化，自力式压差控制阀都能保持管路的压差恒定，即供暖系统不会受到单独个体的调节而影响到其他用户的正常使用。

图2 安装示意图

5 小结

自力式调节阀以其结构简单，工作稳定，无需外置电源等特点，在生产生活中得到了广泛应用。进行自力式调节阀的合理选型，对于提高系统过程控制及产品质量非常重要。随着对自力式调节阀的研发与改进的深入，其产品质量及控制精度将会进一步地提高，其控制效果和可靠性将进一步优化提升。在提升自力式调节阀的产品性能的同时，设备运维管理部门也应做好设备的日常监测管理，做好密封圈、弹簧等易损件的检查、更换，同时要做好维护人员的专业知识培训，掌握自力式调节阀产品的工作原理与结构特点，以便能及时发现问题进行修复处理，从而保证自力式调节阀的正常运行。