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上海滬工閥門廠(集團)有限公司

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滬工閥門

上海滬工閥門廠(集團)有限公司

摘要:首先介紹了石油化工企業(yè)中調(diào)節(jié)閥的基本原理,然后詳細介紹了在選型和實際應用中調(diào)節(jié)閥的流通能力、壓降、噪聲等技術(shù)問題,提出了一些安全、可靠、切實可行的做法,探討如何使調(diào)節(jié)閥在生產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)過程自動化程度日益提高,用來控制流體流量的調(diào)節(jié)閥已遍及各個行業(yè)。對于熱力、化工過程控制系統(tǒng),作為最終控制過程介質(zhì)各項質(zhì)量及安全生產(chǎn)指標的調(diào)節(jié)閥,它在穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)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(diào)節(jié)閥是通過改變節(jié)流方式來控制流量的,所以它既是一種有效的調(diào)節(jié)手段,同時又是一個會產(chǎn)生節(jié)流能耗的部件。以天然氣處理廠為例,隨著裝置高負荷運行,調(diào)節(jié)閥的腐蝕、沖刷、磨損、振動、內(nèi)漏等問題不斷發(fā)生,從而導致調(diào)節(jié)閥的使用壽命縮短、工作可靠性下降、進而引起工藝系統(tǒng)和裝置的生產(chǎn)效率大幅度下降,嚴重時可以導致全線停車。選擇調(diào)節(jié)閥時,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出口壓力、最大切斷壓差等。在對調(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,而技術(shù)方面主要考慮流通能力、壓降、噪音等問題。

1 調(diào)節(jié)閥工作原理簡介

1.1 伯努利方程

由水力學觀點來看,調(diào)節(jié)閥是一個具有局部阻力的節(jié)流元件。當流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時,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表示能量損失的大小。根據(jù)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(jīng)調(diào)節(jié)閥時的能量損失;
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、后絕對壓力,kgf/cm2。

代人上述公式得出:

公式 1

代入具體數(shù)值后得出:

公式 2

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,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(shù)。

1.2 氣體調(diào)節(jié)閥的 Cv 值計算(要考慮壓縮系數(shù))

當 P2 < 0.5P1 時:

公式 3

式中:Q——Nm3/h;rH——標準狀態(tài)下氣體重度,kg/Nm3;ε——氣體膨脹系數(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 P2 ≤ 0.5P1
公式 4

1.3 調(diào)節(jié)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(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(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。

當管道系統(tǒng)中介質(zhì)的流速增加時,流體通過管道上的各種安裝部件時產(chǎn)生的流體壓降也會發(fā)生一系列的動態(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很重要而又容易被忽略的因素,在分析與調(diào)節(jié)閥有關的系統(tǒng)問題時,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)閥的壓降對系統(tǒng)動態(tài)平衡的影響。

流體系統(tǒng)流量—壓力曲線圖(圖 1)
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(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(流體動勢能轉(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為:

△Pv = (1/ρ) × (F/Cv)2

這里的 Cv 是一個動態(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,應注意它的噪音情況,分析好噪音的產(chǎn)生機理可以更好地監(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。

(1)機械類振動——如當閥芯在套筒內(nèi)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(zhì)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(wěn)定性——如由于閥芯振蕩性位移引起流體的壓力波動而產(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施。

(4)介質(zhì)的力學流動性——介質(zhì)在管道或者調(diào)節(jié)閥中流動時,也會發(fā)出噪音,對于這種情況,這里不作具體闡述(氣蝕也會產(chǎn)生噪音)。

4 結(jié)論

調(diào)節(jié)閥的選型和應用是一個專業(yè)性強、涉及的技術(shù)領域廣的系統(tǒng)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(jié)合實際使用經(jīng)驗來綜合分析判斷,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)閥應用的一點經(jīng)驗總結(jié)出來,希望能給同行提供借鑒。


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