隨著在石油化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度日益提高,用來(lái)控制流體流量的調(diào)節(jié)閥已遍及各個(gè)行業(yè)。對(duì)于熱力、化工過(guò)程控制系統(tǒng),作為最終控制過(guò)程介質(zhì)各項(xiàng)質(zhì)量及安全生產(chǎn)指標(biāo)的調(diào)節(jié)閥,它在穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化控制、維護(hù)及檢修成本控制等方面都起著舉足輕重的作用。由于調(diào)節(jié)閥是通過(guò)改變節(jié)流方式來(lái)控制流量的,所以它既是一種有效的調(diào)節(jié)手段,同時(shí)又是一個(gè)會(huì)產(chǎn)生節(jié)流能耗的部件。以天然氣處理廠為例,隨著裝置高負(fù)荷運(yùn)行,調(diào)節(jié)閥的腐蝕、沖刷、磨損、振動(dòng)、內(nèi)漏等問(wèn)題不斷發(fā)生,從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的使用壽命縮短、工作可靠性下降、進(jìn)而引起工藝系統(tǒng)和裝置的生產(chǎn)效率大幅度下降,嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致全線停車。選擇調(diào)節(jié)閥時(shí),首先要收集完整的工藝流體的物理特性參數(shù)與調(diào)節(jié)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(jìn)出口壓力、最大切斷壓差等。在對(duì)調(diào)節(jié)閥具體選型確定前,還必須充分掌握和確定調(diào)節(jié)閥本身的結(jié)構(gòu)、形式、材料等方面的特點(diǎn),而技術(shù)方面主要考慮流通能力、壓降、噪音等問(wèn)題。
1 調(diào)節(jié)閥工作原理簡(jiǎn)介
1.1 伯努利方程
由水力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看,調(diào)節(jié)閥是一個(gè)具有局部阻力的節(jié)流元件。當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí),由于閥芯、閥座處的流通面積縮小,形成局部阻力,并產(chǎn)生能量損失,通常用閥前后的壓差來(lái)表示能量損失的大小。根據(jù)伯努利方程式,對(duì)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(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)的能量損失;
K——為阻力系數(shù);
V——流體平均流速,(V=Q÷S);
Q——流體體積流量,m3/h;
S——調(diào)節(jié)閥流通面積,m2;
g——重力加速度,981cm/s2;
r——流體重度,g/cm3;
P1、P2——調(diào)節(jié)閥前、后絕對(duì)壓力,kgf/cm2。
C 稱為調(diào)節(jié)閥流通系數(shù)或流通能力。
C 值表示調(diào)節(jié)閥全開時(shí),其兩端壓力降△P=1kgf/cm2,流體重度為1g/cm2時(shí),每小時(shí)通過(guò)閥門的立方米數(shù)。
1.2 氣體調(diào)節(jié)閥的Cv值計(jì)算(要考慮壓縮系數(shù))
當(dāng)P2<0.5P1時(shí):
式中:Q——Nm3/h;rH——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體重度,kg/Nm3;ε——?dú)怏w膨脹系數(shù);t——介質(zhì)溫度,℃。
如(P1-P2)÷P1≤0.08,ε=1
如(P1-P2)÷P1>0.08,ε=1-0.46×(P1 - P2)÷P1
當(dāng)P2≤0.5P1時(shí)
1.3 調(diào)節(jié)閥的Cv值范圍
?。?)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(shuō),正常流量Cv值是閥門額定Cv值的30%~70%。
?。?)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(shuō),正常流量Cv值是閥門額定腸值的60%~80%。
2 調(diào)節(jié)閥壓降的系統(tǒng)考慮
調(diào)節(jié)閥作為過(guò)程控制系統(tǒng)中的終端部件,是最常用的一種執(zhí)行器。按過(guò)程控制系統(tǒng)的要求,調(diào)節(jié)閥應(yīng)具有在低能量消耗的狀態(tài)下工作,且能充分與系統(tǒng)匹配的工作特性。但是在調(diào)節(jié)閥的使用中這兩個(gè)要求是不能同時(shí)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(diào)節(jié)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(tǒng)總壓降。
當(dāng)管道系統(tǒng)中介質(zhì)的流速增加時(shí),流體通過(guò)管道上的各種安裝部件時(shí)產(chǎn)生的流體壓降也會(huì)發(fā)生一系列的動(dòng)態(tài)變化,作為管道流體控制主要部件的調(diào)節(jié)閥所引起的流體壓降是一個(gè)很重要而又容易被忽略的因素,在分析與調(diào)節(jié)閥有關(guān)的系統(tǒng)問(wèn)題時(shí),不僅要考慮到調(diào)節(jié)閥本身的問(wèn)題,而且也要考慮到調(diào)節(jié)閥的壓降對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡的影響。
圖 1 流體系統(tǒng)流量—壓力曲線圖
圖 1 是該流體系統(tǒng)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(tài)。在該系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)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(gè)部分,即:△Pp(調(diào)節(jié)閥人口增壓),△Pv(調(diào)節(jié)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(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)換壓降)。其中:△Pf0為在零流量下的調(diào)節(jié)閥人口壓力增壓;ρ為液體介質(zhì)的質(zhì)量密度;F為液體介質(zhì)的質(zhì)量流量。
Cp為常數(shù)。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(diào)節(jié)閥上的壓降特性方程可以類似表達(dá)為:
△Pv=(1/ρ)×(F/Cv)2
這里的Cv是一個(gè)動(dòng)態(tài)的流量常數(shù),它要根據(jù)調(diào)節(jié)閥的閥桿位置的變化而變化的。
3 調(diào)節(jié)閥的噪音分析
氣蝕和噪音是調(diào)節(jié)閥在控制高壓差流體中的兩大公害。調(diào)節(jié)閥上的噪音更是石油化工生產(chǎn)中的主要污染源。在使用中除需選用低噪音結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥在工作時(shí),應(yīng)注意它的噪音情況,分析好噪音的產(chǎn)生機(jī)理可以更好地監(jiān)視調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)和有效處理所發(fā)生的問(wèn)題。
?。?)機(jī)械類振動(dòng)——如當(dāng)閥芯在套筒內(nèi)水平運(yùn)動(dòng)時(shí),可以使閥芯與套筒的間隙盡量小或者使用硬質(zhì)表面的套筒。
(2)固有頻率振動(dòng)——如閥芯或者其它的組件,它們都有一個(gè)固有振動(dòng)頻率,對(duì)此,可以通過(guò)專門的鑄造或鍛造處理來(lái)改變閥芯的特性,如有必要也可以更換其他類型的閥芯。
?。?)閥芯不穩(wěn)定性——如由于閥芯振蕩性位移引起流體的壓力波動(dòng)而產(chǎn)生的噪音,這種情況一般是由于調(diào)節(jié)回路執(zhí)行器等的阻尼因素引起的,對(duì)此可以重新調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)或者在閥芯位移方向上加上減振設(shè)施。
?。?)介質(zhì)的力學(xué)流動(dòng)性——介質(zhì)在管道或者調(diào)節(jié)閥中流動(dòng)時(shí),也會(huì)發(fā)出噪音,對(duì)于這種情況,這里不作具體闡述(氣蝕也會(huì)產(chǎn)生噪音)。
4 結(jié)論
調(diào)節(jié)閥的選型和應(yīng)用是一個(gè)專業(yè)性強(qiáng)、涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣的系統(tǒng)工作,要做好這個(gè)工作,不僅要在理論上充分了解它的各種特性,而且要結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)綜合分析判斷,這樣才能充分發(fā)揮調(diào)節(jié)閥的作用。筆者將石油化工調(diào)節(jié)閥應(yīng)用的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái),希望能給同行提供借鑒。