上海滬工閥門廠(集團)有限公司

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滬工閥門

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摘要:首先介紹了石油化工企業中調節閥的基本原理,然后詳細介紹了在選型和實際應用中調節閥的流通能力、壓降、噪聲等技術問題,提出了一些安全、可靠、切實可行的做法,探討如何使調節閥在生產過程中能夠更好的工作。

關鍵詞流通能力;流速;壓降;噪聲

隨著在石油化工企業生產過程自動化程度日益提高,用來控制流體流量的調節閥已遍及各個行業。對于熱力、化工過程控制系統,作為最終控制過程介質各項質量及安全生產指標的調節閥,它在穩定生產、優化控制、維護及檢修成本控制等方面都起著舉足輕重的作用。由于調節閥是通過改變節流方式來控制流量的,所以它既是一種有效的調節手段,同時又是一個會產生節流能耗的部件。以天然氣處理廠為例,隨著裝置高負荷運行,調節閥的腐蝕、沖刷、磨損、振動、內漏等問題不斷發生,從而導致調節閥的使用壽命縮短、工作可靠性下降、進而引起工藝系統和裝置的生產效率大幅度下降,嚴重時可以導致全線停車。選擇調節閥時,首先要收集完整的工藝流體的物理特性參數與調節閥的工作條件,主要有流體的成份、溫度、密度、粘度、正常流量、最大流量、最小流量、最大流量與最小流量下的進出口壓力、最大切斷壓差等。在對調節閥具體選型確定前,還必須充分掌握和確定調節閥本身的結構、形式、材料等方面的特點,而技術方面主要考慮流通能力、壓降、噪音等問題。

1 調節閥工作原理簡介

1.1 伯努利方程

由水力學觀點來看,調節閥是一個具有局部阻力的節流元件。當流體流經調節閥時,由于閥芯、閥座處的流通面積縮小,形成局部阻力,并產生能量損失,通常用閥前后的壓差來表示能量損失的大小。根據伯努利方程式,對不可壓縮的流體:

H = K × V2 ÷ 2g

也可表示為:H = (P1 - P2) ÷ r

式中:
H——為單位重量的流體流經調節閥時的能量損失;
K——為阻力系數;
V——流體平均流速,(V = Q ÷ S);
Q——流體體積流量,m3/h;
S——調節閥流通面積,m2;
g——重力加速度,981cm/s2;
r——流體重度,g/cm3;
P1、P2——調節閥前、后絕對壓力,kgf/cm2。

代人上述公式得出:

公式 1

代入具體數值后得出:

公式 2

C 稱為調節閥流通系數或流通能力。

C 值表示調節閥全開時,其兩端壓力降 △P=1kgf/cm2,流體重度為 1g/cm2 時,每小時通過閥門的立方米數。

1.2 氣體調節閥的 Cv 值計算(要考慮壓縮系數)

當 P2 < 0.5P1 時:

公式 3

式中:Q——Nm3/h;rH——標準狀態下氣體重度,kg/Nm3;ε——氣體膨脹系數;t——介質溫度,℃。

如 (P1 - P2) ÷ P1 ≤ 0.08,ε= 1

如 (P1 - P2) ÷ P1 > 0.08,ε= 1 - 0.46 × (P1 - P2) ÷ P1

當 P2 ≤ 0.5P1
公式 4

1.3 調節閥的 Cv 值范圍

(1)等百分比閥門

閥門的額定 Cv 值通常是正常流量 Cv 值的 2 倍,或者最大流量 Cv 值的 1.3 倍,或者說,正常流量 Cv 值是閥門額定 Cv 值的 30%~70%。

(2)線性閥門

閥門的額定 Cv 值是正常流量 Cv 值的 1.5 倍,或者最大流量 Cv 值的 1.1 倍,或者說,正常流量 Cv 值是閥門額定腸值的 60%~80%。

2 調節閥壓降的系統考慮

調節閥作為過程控制系統中的終端部件,是最常用的一種執行器。按過程控制系統的要求,調節閥應具有在低能量消耗的狀態下工作,且能充分與系統匹配的工作特性。但是在調節閥的使用中這兩個要求是不能同時滿足的,甚至是互相矛盾的。在要得到同樣的流量 Qmax 的情況下,選擇一只較小口徑的調節閥,雖然其他阻力不變而總的阻力必然比較大,形成大的系統總壓降。

當管道系統中介質的流速增加時,流體通過管道上的各種安裝部件時產生的流體壓降也會發生一系列的動態變化,作為管道流體控制主要部件的調節閥所引起的流體壓降是一個很重要而又容易被忽略的因素,在分析與調節閥有關的系統問題時,不僅要考慮到調節閥本身的問題,而且也要考慮到調節閥的壓降對系統動態平衡的影響。

流體系統流量—壓力曲線圖(圖 1)
圖 1 流體系統流量 — 壓力曲線圖

圖 1 是該流體系統的流量—壓力曲線圖,它表明了在不同流量下的管線壓力分布平衡狀態。在該系統中對應泵的壓力特性方程為:

△Pp = △Pf0 - (1/ρ) × (F/Cp)2

這里可以將管道流體的壓力變化分解成幾個部分,即:△Pp(調節閥人口增壓),△Pv(調節閥上的壓降),△Pa(熱交換器上的壓降),△Pt(管道上的壓降),△Pg(流體動勢能轉換壓降)。其中:△Pf0 為在零流量下的調節閥人口壓力增壓;ρ 為液體介質的質量密度;F 為液體介質的質量流量。

Cp 為常數。流體在管道上的壓降特性方程為:

△Pt = (1/ρ) × (F/Ct)2

流體在熱交換器上的壓降特性方程為:

△Pa = (1/ρ) × (F/Ca)2

流體在調節閥上的壓降特性方程可以類似表達為:

△Pv = (1/ρ) × (F/Cv)2

這里的 Cv 是一個動態的流量常數,它要根據調節閥的閥桿位置的變化而變化的。

3 調節閥的噪音分析

氣蝕和噪音是調節閥在控制高壓差流體中的兩大公害。調節閥上的噪音更是石油化工生產中的主要污染源。在使用中除需選用低噪音結構的調節閥外,改變閥的操作條件更是消除或降低氣蝕和噪音的根本方法。調節閥在工作時,應注意它的噪音情況,分析好噪音的產生機理可以更好地監視調節閥的工作狀態和有效處理所發生的問題。

(1)機械類振動——如當閥芯在套筒內水平運動時,可以使閥芯與套筒的間隙盡量小或者使用硬質表面的套筒。

(2)固有頻率振動——如閥芯或者其它的組件,它們都有一個固有振動頻率,對此,可以通過專門的鑄造或鍛造處理來改變閥芯的特性,如有必要也可以更換其他類型的閥芯。

(3)閥芯不穩定性——如由于閥芯振蕩性位移引起流體的壓力波動而產生的噪音,這種情況一般是由于調節回路執行器等的阻尼因素引起的,對此可以重新調節阻尼系數或者在閥芯位移方向上加上減振設施。

(4)介質的力學流動性——介質在管道或者調節閥中流動時,也會發出噪音,對于這種情況,這里不作具體闡述(氣蝕也會產生噪音)。

4 結論

調節閥的選型和應用是一個專業性強、涉及的技術領域廣的系統工作,要做好這個工作,不僅要在理論上充分了解它的各種特性,而且要結合實際使用經驗來綜合分析判斷,這樣才能充分發揮調節閥的作用。筆者將石油化工調節閥應用的一點經驗總結出來,希望能給同行提供借鑒。


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