调节阀应用中的技术问题探讨

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文摘要：本文主要论述了调节阀应用中需要注意的几个技术方面的问题，并结合实际提出了合理的建议。
    1 序言
    随着科技进步，在生产过程自动化中，用来控制流体流量的调节阀已遍及各个行业。对于热力、化工过程控制系统，作为最终控制过程介质各项质量及安全生产指标的调节阀，它在稳定生产、优化控制、维护及检修成本控制等方面都起着举足轻重的作用。由于调节阀是通过改变节流方式来控制流量的，所以它既是一种有效的调节手段，同时又是一个会产生节流能耗的部件。以化工厂为例，随着装置高负荷运行，调节阀的腐蚀、冲刷、磨损、振动、内漏等问题不断发生，从而导致调节阀的使用寿命缩短、工作可靠性下降、进而引起工艺系统和装置的生产效率大幅度下降，严重时可以导致全线停车。这在如今视质量和效益为生命的企业管理中尤为重要和紧迫。对此，如何选择和安装好调节阀，使调节阀在一个高水平状态下运行将是一个很关键的问题。选择调节阀时，首先要收集完整的工艺流体的物理特性参数与调节阀的工作条件，主要有流体的成份、温度、密度、粘度、正常流量、最大流量、最小流量、最大流量与最小流量下的进出口压力、最大切断压差等。在对调节阀具体选型确定前，还必须充分掌握和确定调节阀本身的结构、形式、材料等方面的特点，而技术方面主要考虑流量特性、压降、闪蒸、气蚀、噪音等问题。
    2 如何选择流量特性
    调节阀的流量特性是指介质流过阀的相对流量与相对位移间的关系，[1]数学表达式如下：
    Q/Qmax=f（l/L）
    式中Q/Qmax为相对流量，为调节阀在某一开度时流量Q与全开流量Qmax之比；l/L为相对位移，为调节阀在某一开度时伐芯位移l与全开位移L之比。
    选择的总体原则是调节阀的流量特性应与调节对象特性及调节器特性相反，这样可使调节系统的综合特性接近于线性。选择通常在工艺系统要求下进行，但是还要考虑很多实际情况，现分别加以说明。
    (1) 直线性流量调节阀
    直线性流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移成直线关系即单位位移变化所引起的流量变化是常数。选用直线性流量特性阀的场合一般为：① 差压变化小，几乎恒定；② 工艺系统主要参数的变化呈线性；③ 系统压力损失大部分分配在调节阀上（改变开度，阀上差压变化相对较小）；④ 外部干扰小，给定值变化小，可调范围要求小的场合。
    (2) 等百分比特性调节阀
    等百分比流量特性也称对数流量特性。它是指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增大而增大。优先选用等百分比特性阀的场合为：① 实际可调范围大；② 开度变化，阀上差压变化相对较大；③ 管道系统压力损失大；④ 工艺系统负荷大幅度波动；⑤ 调节阀经常在小开度下运行。

    除了以上两种常用的流量特性之外，[2]还有抛物线特性和快开特性等其他流量特性的调节阀，理想的流量特性曲线如图1所示。
    在密封结构上，若流量特性精度要求高，则可选用高精度流量特性的金属密封型，而软密封型精度较低。
    3 调节阀压降的系统考虑
    调节阀作为过程控制系统中的终端部件，是最常用的一种执行器。按过程控制系统的要求，调节阀应具有在低能量消耗的状态下工作，且能充分与系统匹配的工作特性。但是在调节阀的使用中这两个要求是不能同时满足的，甚至是互相矛盾的。在要得到同样的流量Qmax的情况下，选择一只较小口径的调节阀，虽然其他阻力不变而总的阻力必然比较大，形成大的系统总压降。假若物流的推动力是由泵产生，就意味着必须选功率大一些的泵和电机，这样必然带来大的能耗。
    当管道系统中介质的流速增加时，流体通过管道上的各种安装部件时产生的流体压降也会发生一系列的动态变化，作为管道流体控制主要部件的调节阀所引起的流体压降是一个很重要而又容易被忽略的因素，我们在分析与调节阀有关的系统问题时，不仅要考虑到调节阀本身的问题，而且也要考虑到调节阀的压降对系统动态平衡的影响。

    图2是一个简单的安装有调节阀的工艺流程图，其中D1和D2是工艺罐，G1是泵，V1是调节阀，E1是热交换器。这里可以将管道流体的压力变化分解成几个部分，即：ΔPp（泵的增压），ΔPv（调节阀上的压降），ΔPa（热交换器上的压降），ΔPt（管道上的压降），ΔPg（流体动势能转换压降）。
    图3是该流体系统的流量—压力曲线图，它表明了在不同流量下的管线压力分布平衡状态。在该系统中对应泵的压力特性方程为：
    ΔPp=ΔPfo-（1/ρ）*（F/Cp）2
    其中：ΔPfo为在零流量下的泵的出口压力增压；ρ为液体介质的质量密度；F为液体介质的质量流量；
    Cp为常数。流体在管道上的压降特性方程为：
    ΔPt=（1/ρ）*（F/Ct）2
    流体在热交换器上的压降特性方程为：
    ΔPa=（1/ρ）*（F/Ca）2
    流体在调节阀上的压降特性方程可以类似表达为：
    ΔPv=（1/ρ）*（F/Cv*）2
    这里的Cv*是一个动态的流量常数，它要根据调节阀的阀杆位置的变化而变化的。
    下面就调节阀在系统中的最大压降和最小压降作进一步的探讨。

    图4为一个简单而典型的调节阀流量控制系统。在该系统中，流量（包括最大流量和最小流量）和泵出口压力以及罐体入口压力的关系特性如图5中的(1)、(2)所示。

    由图6可以看出调节阀允许的最大压降和最小压降在整个系统压力变化分布中的位置和关联因素。相对而言，当流量最大时，调节阀的压降最小；流量最小时，调节阀的压降最大。另外，必须注意：[2]为了使调节阀能够工作在一个正常的状态，切记不要使调节阀的最小压差为零！[3]关于调节阀的压差问题，在此针对几种常见情况进行进一步的阐述：
    ① 在有泵驱动下的管线系统中，对应额定流量时调节阀的压降应该为系统动态压降的30%左右或者为15PSI；
    ② 在离心压缩机的吸入口或者排出口如果安装有调节阀，则调节阀在正常工作条件下的压降应为抽吸时绝对压力的5%或者为该系统动态压降的50%左右；
    ③ 对于利用工艺罐体之间静压差来驱动介质流动的管线系统，其调节阀在正常工作条件下的压降应为低端罐体压力的10%或者为该系统动态压降的50%左右；
    ④ 对于连接到水平的蒸汽管线上的调节阀在正常工作条件下的压降应为该蒸汽系统设计绝对压力的10%或者为5PSI。
    4 调节阀的闪蒸和气蚀
    在调节阀内流动的液体常常出现闪蒸和气蚀两种现象。它们的发生不但影响口径的选择和计算，而且将导致严重的噪声、振动、材质的破坏等。在这种情况下，调节阀的工作寿命会大大缩短，对此有必要加以详细阐述。

    正常情况下，作为液体状态的介质，流入、流经、流出调节阀时均保持液态。其压力变化曲线如图7中的(1)所示。
    闪蒸作为液体状态的介质，流入调节阀时是液态，在流经调节阀中的缩流处时流体的压力低于气化压力Pvapor，液态介质变成气态介质，并且它的压力不会再回复到气化压力之上，流出调节阀时介质一直保持气态。其压力变化曲线如图7(2)所示。
    闪蒸就象一种喷沙现象，它作用在阀体和管线的下游部分，给调节阀和管道的内表面造成严重的冲蚀，同时也降低了调节阀的流通能力。
    气蚀作为液体状态的介质，流入调节阀时是液态，在流经调节阀中的缩流处时流体的压力低于气化压力，液态介质变成气态介质，随后它的压力又回复到气化压力Pvapor之上，最后在流出调节阀前介质又变成液态。其压力变化曲线如图7中(3)所示。[4]可以根据一些现象来初步判断气蚀的存在，当气蚀开始时它会发出一种嘶嘶声，当气蚀发展到完全稳定时，调节阀中会发出嘎嘎的声音，就象有碎石在流过调节阀时发出的声响。气蚀对调节阀及内件的损害也是很大的，同时它也降低了调节阀的流通效能，就象闪蒸一样。
    因此，[4]我们必须采取有效的措施来防止或者最大限度地减小闪蒸或气蚀的发生：

    ① 尽量将调节阀安装在系统的最低位置处，这样可以相对提高调节阀入口P1和出口P2的压力，如图8所示；
    ② 在调节阀的上游或下游安装一个截止阀或者节流孔板来改变调节阀原有的安装压降特性（这种方法一般对于小流量情况比较有效），如图9所示；
    ③ 选用专门的反气蚀内件也可以有效地防止闪蒸或气蚀，它可以改变流体在调节阀内的流速变化，从而增加了内部压力；
    ④ 尽量选用材质较硬的调节阀，因为在发生气蚀时，对于这样的调节阀，它有一定的抗冲蚀性和耐磨性，可以在一定的条件下让气蚀存在，并且不会损坏调节阀的内件。相反，对于软性材质的调节阀，由于它的抗冲蚀性和耐磨性较差，当发生气蚀时，调节阀的内部构件很快就会被磨损，因而无法在有气蚀的情况下正常工作。
    总之，目前还没有什么工程材料能够适应严重条件下的气蚀情况，只能针对客观情况来综合分析，选择一种相对比较合理的解决办法。
    5 调节阀的噪音分析
    气蚀和噪音是调节阀在控制高压差流体中的两大公害。调节阀上的噪音更是石油化工生产中的主要污染源。在使用中除需选用低噪音结构的调节阀外，改变阀的操作条件更是消除或降低气蚀和噪音的根本方法。
    调节阀在工作时，应注意它的噪音情况，分析好噪音的产生机理可以更好地监视调节阀的工作状态和有效处理所发生的问题，下面通过举例说明。
    ① 机械类振动——如当阀芯在套筒内水平运动时，可以使阀芯与套筒的间隙尽量小或者使用硬质表面的套筒。
    ② 固有频率振动——如阀芯或者其它的组件，它们都有一个固有振动频率，对此，可以通过专门的铸造或锻造处理来改变阀芯的特性，如有必要也可以更换其他类型的阀芯。
    ③ 阀芯不稳定性——如由于阀芯振荡性位移引起流体的压力波动而产生的噪音，这种情况一般是由于调节回路执行器等的阻尼因素引起的，对此可以重新调节阻尼系数或者在阀芯位移方向上加上减振设施。
    ④ 介质的力学流动性——介质在管道或者调节阀中流动时，也会发出噪音，对于这种情况，这里不作具体阐述（气蚀也会产生噪音）。
    当然，有些噪音是无法消除的，只能尽量采取防噪音保护措施，如戴耳塞等。
    6 结论
    调节阀的选型和应用是一个专业性强、涉及的技术领域广的系统工作，要做好这个工作，不仅要在理论上充分了解它的各种特性，而且要结合实际使用经验来综合分析判断，做到理论和实践科学地结合起来。
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