發(fā)布時(shí)間：2019-11-25 瀏覽量：2366
1 序言
隨著科技進(jìn)步，在生產(chǎn)過程自動(dòng)化中，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、化工過程控制系統(tǒng)，作為最終控制過程介質(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。以化工廠為例，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。這在如今視質(zhì)量和效益為生命的企業(yè)管理中尤為重要和緊迫。對(duì)此，如何選擇和安裝好調(diào)節(jié)閥，使調(diào)節(jié)閥在一個(gè)高水平狀態(tài)下運(yùn)行將是一個(gè)很關(guān)鍵的問題。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)方面主要考慮流量特性、壓降、閃蒸、氣蝕、噪音等問題。
2 如何選擇流量特性
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移間的關(guān)系，[1]數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
Q/Qmax=f（l/L）
式中Q/Qmax為相對(duì)流量，為調(diào)節(jié)閥在某一開度時(shí)流量Q與全開流量Qmax之比；l/L為相對(duì)位移，為調(diào)節(jié)閥在某一開度時(shí)伐芯位移l與全開位移L之比。
選擇的總體原則是調(diào)節(jié)閥的流量特性應(yīng)與調(diào)節(jié)對(duì)象特性及調(diào)節(jié)器特性相反，這樣可使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的綜合特性接近于線性。選擇通常在工藝系統(tǒng)要求下進(jìn)行，但是還要考慮很多實(shí)際情況，現(xiàn)分別加以說明。
(1) 直線性流量調(diào)節(jié)閥
直線性流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移成直線關(guān)系即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。選用直線性流量特性閥的場(chǎng)合一般為：① 差壓變化小，幾乎恒定；② 工藝系統(tǒng)主要參數(shù)的變化呈線性；③ 系統(tǒng)壓力損失大部分分配在調(diào)節(jié)閥上（改變開度，閥上差壓變化相對(duì)較小）；④ 外部干擾小，給定值變化小，可調(diào)范圍要求小的場(chǎng)合。
(2) 等百分比特性調(diào)節(jié)閥
等百分比流量特性也稱對(duì)數(shù)流量特性。它是指單位相對(duì)位移變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系。即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)是變化的，它隨相對(duì)流量的增大而增大。優(yōu)先選用等百分比特性閥的場(chǎng)合為：① 實(shí)際可調(diào)范圍大；② 開度變化，閥上差壓變化相對(duì)較大；③ 管道系統(tǒng)壓力損失大；④ 工藝系統(tǒng)負(fù)荷大幅度波動(dòng)；⑤ 調(diào)節(jié)閥經(jīng)常在小開度下運(yùn)行。
除了以上兩種常用的流量特性之外，[2]還有拋物線特性和快開特性等其他流量特性的調(diào)節(jié)閥，理想的流量特性曲線如圖1所示。
在密封結(jié)構(gòu)上，若流量特性精度要求高，則可選用高精度流量特性的金屬密封型，而軟密封型精度較低。
3 調(diào)節(jié)閥壓降的系統(tǒng)考慮
調(diào)節(jié)閥作為過程控制系統(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。假若物流的推動(dòng)力是由泵產(chǎn)生，就意味著必須選功率大一些的泵和電機(jī)，這樣必然帶來(lái)大的能耗。
當(dāng)管道系統(tǒng)中介質(zhì)的流速增加時(shí)，流體通過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，我們?cè)诜治雠c調(diào)節(jié)閥有關(guān)的系統(tǒng)問題時(shí)，不僅要考慮到調(diào)節(jié)閥本身的問題，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2是一個(gè)簡(jiǎn)單的安裝有調(diào)節(jié)閥的工藝流程圖，其中D1和D2是工藝罐，G1是泵，V1是調(diào)節(jié)閥，E1是熱交換器。這里可以將管道流體的壓力變化分解成幾個(gè)部分，即：ΔPp（泵的增壓），ΔPv（調(diào)節(jié)閥上的壓降），ΔPa（熱交換器上的壓降），ΔPt（管道上的壓降），ΔPg（流體動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)換壓降）。
圖3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：
ΔPp=ΔPfo-（1/ρ）*（F/Cp）2
其中：ΔPfo為在零流量下的泵的出口壓力增壓；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：
ΔPt=（1/ρ）*（F/Ct）2
流體在熱交換器上的壓降特性方程為：
ΔPa=（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：
ΔPv=（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。
下面就調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)中的最大壓降和最小壓降作進(jìn)一步的探討。
圖4為一個(gè)簡(jiǎn)單而典型的調(diào)節(jié)閥流量控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，流量（包括最大流量和最小流量）和泵出口壓力以及罐體入口壓力的關(guān)系特性如圖5中的(1)、(2)所示。
由圖6可以看出調(diào)節(jié)閥允許的最大壓降和最小壓降在整個(gè)系統(tǒng)壓力變化分布中的位置和關(guān)聯(lián)因素。相對(duì)而言，當(dāng)流量最大時(shí)，調(diào)節(jié)閥的壓降最小；流量最小時(shí)，調(diào)節(jié)閥的壓降最大。另外，必須注意：[2]為了使調(diào)節(jié)閥能夠工作在一個(gè)正常的狀態(tài)，切記不要使調(diào)節(jié)閥的最小壓差為零！[3]關(guān)于調(diào)節(jié)閥的壓差問題，在此針對(duì)幾種常見情況進(jìn)行進(jìn)一步的闡述：
① 在有泵驅(qū)動(dòng)下的管線系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)額定流量時(shí)調(diào)節(jié)閥的壓降應(yīng)該為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)壓降的30%左右或者為15PSI；
② 在離心壓縮機(jī)的吸入口或者排出口如果安裝有調(diào)節(jié)閥，則調(diào)節(jié)閥在正常工作條件下的壓降應(yīng)為抽吸時(shí)絕對(duì)壓力的5%或者為該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)壓降的50%左右；
③ 對(duì)于利用工藝罐體之間靜壓差來(lái)驅(qū)動(dòng)介質(zhì)流動(dòng)的管線系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)閥在正常工作條件下的壓降應(yīng)為低端罐體壓力的10%或者為該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)壓降的50%左右；
④ 對(duì)于連接到水平的蒸汽管線上的調(diào)節(jié)閥在正常工作條件下的壓降應(yīng)為該蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)絕對(duì)壓力的10%或者為5PSI。
4 調(diào)節(jié)閥的閃蒸和氣蝕
在調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動(dòng)的液體常常出現(xiàn)閃蒸和氣蝕兩種現(xiàn)象。它們的發(fā)生不但影響口徑的選擇和計(jì)算，而且將導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲、振動(dòng)、材質(zhì)的破壞等。在這種情況下，調(diào)節(jié)閥的工作壽命會(huì)大大縮短，對(duì)此有必要加以詳細(xì)闡述。
正常情況下，作為液體狀態(tài)的介質(zhì)，流入、流經(jīng)、流出調(diào)節(jié)閥時(shí)均保持液態(tài)。其壓力變化曲線如圖7中的(1)所示。
閃蒸作為液體狀態(tài)的介質(zhì)，流入調(diào)節(jié)閥時(shí)是液態(tài)，在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥中的縮流處時(shí)流體的壓力低于氣化壓力Pvapor，液態(tài)介質(zhì)變成氣態(tài)介質(zhì)，并且它的壓力不會(huì)再回復(fù)到氣化壓力之上，流出調(diào)節(jié)閥時(shí)介質(zhì)一直保持氣態(tài)。其壓力變化曲線如圖7(2)所示。
閃蒸就象一種噴沙現(xiàn)象，它作用在閥體和管線的下游部分，給調(diào)節(jié)閥和管道的內(nèi)表面造成嚴(yán)重的沖蝕，同時(shí)也降低了調(diào)節(jié)閥的流通能力。
氣蝕作為液體狀態(tài)的介質(zhì)，流入調(diào)節(jié)閥時(shí)是液態(tài)，在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥中的縮流處時(shí)流體的壓力低于氣化壓力，液態(tài)介質(zhì)變成氣態(tài)介質(zhì)，隨后它的壓力又回復(fù)到氣化壓力Pvapor之上，最后在流出調(diào)節(jié)閥前介質(zhì)又變成液態(tài)。其壓力變化曲線如圖7中(3)所示。[4]可以根據(jù)一些現(xiàn)象來(lái)初步判斷氣蝕的存在，當(dāng)氣蝕開始時(shí)它會(huì)發(fā)出一種嘶嘶聲，當(dāng)氣蝕發(fā)展到完全穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)閥中會(huì)發(fā)出嘎嘎的聲音，就象有碎石在流過調(diào)節(jié)閥時(shí)發(fā)出的聲響。氣蝕對(duì)調(diào)節(jié)閥及內(nèi)件的損害也是很大的，同時(shí)它也降低了調(diào)節(jié)閥的流通效能，就象閃蒸一樣。
因此，[4]我們必須采取有效的措施來(lái)防止或者最大限度地減小閃蒸或氣蝕的發(fā)生：
① 盡量將調(diào)節(jié)閥安裝在系統(tǒng)的最低位置處，這樣可以相對(duì)提高調(diào)節(jié)閥入口P1和出口P2的壓力，如圖8所示；
② 在調(diào)節(jié)閥的上游或下游安裝一個(gè)截止閥或者節(jié)流孔板來(lái)改變調(diào)節(jié)閥原有的安裝壓降特性（這種方法一般對(duì)于小流量情況比較有效），如圖9所示；
③ 選用專門的反氣蝕內(nèi)件也可以有效地防止閃蒸或氣蝕，它可以改變流體在調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流速變化，從而增加了內(nèi)部壓力；
④ 盡量選用材質(zhì)較硬的調(diào)節(jié)閥，因?yàn)樵诎l(fā)生氣蝕時(shí)，對(duì)于這樣的調(diào)節(jié)閥，它有一定的抗沖蝕性和耐磨性，可以在一定的條件下讓氣蝕存在，并且不會(huì)損壞調(diào)節(jié)閥的內(nèi)件。相反，對(duì)于軟性材質(zhì)的調(diào)節(jié)閥，由于它的抗沖蝕性和耐磨性較差，當(dāng)發(fā)生氣蝕時(shí)，調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部構(gòu)件很快就會(huì)被磨損，因而無(wú)法在有氣蝕的情況下正常工作。
總之，目前還沒有什么工程材料能夠適應(yīng)嚴(yán)重條件下的氣蝕情況，只能針對(duì)客觀情況來(lái)綜合分析，選擇一種相對(duì)比較合理的解決辦法。
5 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)生的問題，下面通過舉例說明。
① 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。
③ 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。
④ 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）。
當(dāng)然，有些噪音是無(wú)法消除的，只能盡量采取防噪音保護(hù)措施，如戴耳塞等。
6 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，做到理論和實(shí)踐科學(xué)地結(jié)合起來(lái)。
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（衢州巨化集團(tuán)公司工程儀表廠稿件）
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