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蒸汽控制閥的選型應用
為何過程控制中需要使用蒸汽控制閥?如何降低蒸汽壓力?
減壓閥有什么優勢?蒸汽減壓閥有什么類型？
在受到加熱作用時，水分子不斷地被破壞、結合。加熱作用使分子間的結合變得脆弱，終一些分子會在高溫下斷裂，產生蒸汽或干蒸汽。當一些水分子釋放其潛熱并形成微小的水滴時，就會形成濕蒸汽。
蒸汽在許多工業應用中使用。常見的應用是工藝加熱和驅動蒸汽輪機發電。除此之外，蒸汽還用于霧化、清潔、保濕和加濕。但使用蒸汽時，大多數情況需要進行一些參數控制，蒸汽控制閥就自然而然地成為過程控制工程的一部分。
為何過程控制中需要使用蒸汽控制閥
從技術上講，閥門是任何系統中用來控制液體或蒸汽流量的裝置。蒸汽控制閥主要的目的是降低工藝環節中的入口蒸汽壓力。除了控制壓力外，蒸汽控制閥還控制溫度。
鍋爐通常會在高壓下工作，因為低壓操作會導致水被攜帶在蒸汽中。高壓蒸汽的比容較低，有助于減少管道承載的重量。實際上，由于管道和保溫材料成本降低，蒸汽的分配變得更容易、更便宜。
工業過程會在較低壓力下使用蒸汽。其原因在于低壓蒸汽具有較高的潛熱，這在很大程度上提高了能源效率。蒸汽壓力和溫度相關，因此控制蒸汽壓力就可以自動調節溫度。降低蒸汽壓力也與工廠的安全需求有關。蒸汽壓力可以通過蒸汽控制閥來控制。
在使用蒸汽的設備中，蒸汽通常在高壓下產生，并通過局部減壓來為每個蒸汽用戶提供熱量。減壓閥的通常是為了盡量減小蒸汽輸送管道的直徑，并使蒸汽輸送更具成本效益。
如何降低蒸汽壓力
降低壓力的一種常見方法是通過節流來減小蒸汽通道的尺寸。對于基本的減壓，可以簡單地在固定的、部分開啟的位置，安裝傳統的截止閥，或者在蒸汽流中插入孔板。然而，任何流量的波動都會伴隨相應的壓力波動。為了避免出現這種情況，可以使用減壓閥（PRV）來控制下游的壓力。這些減壓閥能自動調節閥門開度，以確保即使流量產生波動，壓力也保持不變。
減壓閥的優勢
通過使用啟動控制閥、壓力傳感器和控制器的組合方式，可保持壓力的恒定，然而，減壓閥卻具備通過*自動的獨立操作來控制壓力的優勢，無需任何類型的外部動力。它可以通過基于對下游壓力的即刻感知和調整，做出極快的響應動作。
圖1：讓加熱工藝能在低于鍋爐壓力的條件下使用蒸汽，從而使之受益。因此，減壓閥通常被用于將蒸汽壓力降低到工藝所需的設定值。
圖注：
Boiler：鍋爐
Pressure Reducing Valve：減壓閥
Jacketed Kettle：雙層鍋
Trap:疏水閥
蒸汽減壓閥的類型
在減壓閥中，自動調節下游壓力的機構通常會利用蒸汽壓力與調節彈簧之間達到的力的平衡。目前，這幾乎是所有減壓閥所采用的通用概念。但是有兩種不同的方法可實現該機制以控制閥門開度：
? 無先導、直接作用式減壓閥：調節彈簧將下調壓力設定力直接施加在主閥上。
先導式減壓閥：調節彈簧將下調壓力設定力直接施加在先導閥上，該閥較小且不同于主閥。
以下是每種類型的PRV的特性概述。
直接作用式減壓閥（無先導）
用于不必進行非常的壓力控制的小負荷。
優點：體積小，價格低，易于安裝。
缺點：比先導式PRV更高的壓降（與設定壓力的變化）。
圖2：通過直接作用于閥門本身的平衡力來調節輸出蒸汽壓力：壓縮調節彈簧所產生的向下的力，抵抗作用于波紋管或隔膜底部的來自二次壓力的向上的力。
圖注：
Direct Acting Pressure Reducing Valve直接作用式減壓閥
Adjustment Handle：調節手柄
Adjustment Spring：調節彈簧
Primary Pressure:一次壓力
Main Valve:主閥
Belows:波紋管
Secondary Pressure:二次壓力
在直接作用式減壓閥中，閥門的開度直接取決于調節彈簧的移動。如果彈簧被壓縮，它會在閥門上產生開啟力，從而增加流量。
當壓力向下游積聚時，則下游壓力會被傳遞到調節彈簧的底面（通常是緊靠著波紋管或隔膜），在那里，這一向上的力與彈簧壓縮力之間取得相互平衡。開啟閥門的彈簧壓力受到限制，以便在達到足夠彈簧靈敏度的同時，抵消下游壓力的變化。終的結果是通過閥孔板簡單地控制會導致壓力下降的高流速處的壓力。
先導式減壓閥
用于必須進行非常的壓力控制的較大負荷。
優點：與直接作用式相比，能以的壓力控制、對負載變化的快速響應，可在更大的流量范圍內使用。
缺點：尺寸大，價格高。
圖3：輸出蒸汽壓力的調節方式與直接作用式PRV類似，但通過先導閥進行間接調節。
當先導閥啟動時，向較大的主閥提供比先導閥本身高得多的開啟流量。然后，先導閥通過二次壓力實現平衡，從而相應地控制通向主閥的開啟流量。
圖注：
Adjustment Spring 調整彈簧
Pilot Valve 先導閥
Primary Pressure一次壓力
Main Valve主閥
Supply of Primary Pressure to the Piston
向活塞提供一次壓力
Intermediate Control Pressure to the Piston
對活塞的中間控制壓力
Piston活塞
Secondary Pressure 二次壓力
在先導式減壓閥中，先導閥用于向活塞或隔膜加載，從而增加用于開啟較大的主閥的向下作用力。這樣就可以在較低的壓力補償（降壓）下提高流量。先導閥的開啟和關閉由調節彈簧和二次壓力之間的力平衡來控制，作用方式與直接作用式閥的相同。
但在先導式PRV中，先導閥的這種開啟和關閉會有目的地向主閥活塞或隔膜傳遞壓力。接著，先導流量壓力會產生向下的作用力，活塞或隔膜表面會放大該力，從而使主閥開啟得更大，流量因此達到很高的水平。
由于使用活塞或隔膜會放大向下的作用力，先導閥開口的細微變化會導致通過主閥的流量以及下游壓力的較大變化，因此，為了在較大的蒸汽流量范圍內實現快速響應，調節閥上的彈簧力幾乎不需要改變。與直接作用式相比，快速響應和緊密傳遞的壓力控制是這種閥門的主要優點。
總結
從以上特點可以看出，無先導直接作用式減壓閥的功能和應用與先導式減壓閥有很大的不同。簡而言之：
當負載較小時，可使用直接作用式減壓閥，并可以允許下游壓力有一定的下降。它們通常用于輕負載工況。
先導式減壓閥能夠快速響應不同的負載條件，同時在需要壓力控制的地方保持穩定的二次壓力。它們通常用于負載較大的工況。
蒸汽使用裝置的典型應用：
小負荷應用，如滅菌器、單元加熱器、加濕器和小型工藝設備，通常可使用簡單的直接作用式PRV來進行減壓。
如果流量較大，例如蒸汽輸送管道，負載可能會根據接收設備的運行狀態而產生大幅波動。
這種負載變化和大容量要求使用先導式減壓閥來降低壓力。此外，某些設備所使用的蒸汽量可能在啟動時與正常運行期間存在很大差異。
如此大的變化也可能需要使用先導式PRV來進行減壓。