调节阀应用中技术问题的探讨

2021-08-16 08:27:28 3

随着在石油化工企业生产过程自动化程度日益提高,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。以天然气处理厂为例,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。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通能力、压降、噪音等问题。

1 调节阀工作原理简介

1.1 伯努利方程

由水力学观点来看,调节阀是一个具有局部阻力的节流元件。当流体流经调节阀时,由于阀芯、阀座处的流通面积缩小,形成局部阻力,并产生能量损失,通常用阀前后的压差来表示能量损失的大小。根据伯努利方程式,对不可压缩的流体:

H=K×V2÷2g

也可表示为:H=(P1 - P2)÷r

式中:

H——为单位重量的流体流经调节阀时的能量损失;

K——为阻力系数;

V——流体平均流速,(V=Q÷S);

Q——流体体积流量,m3/h;

S——调节阀流通面积,m2;

g——重力加速度,981cm/s2;

r——流体重度,g/cm3;

P1、P2——调节阀前、后绝对压力,kgf/cm2。

代人上述公式得出:

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代入具体数值后得出:

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C 称为调节阀流通系数或流通能力。

C 值表示调节阀全开时,其两端压力降△P=1kgf/cm2,流体重度为1g/cm2时,每小时通过阀门的立方米数。

1.2 气体调节阀的Cv值计算(要考虑压缩系数)

当P2<0.5P1时:

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式中:Q——Nm3/h;rH——标准状态下气体重度,kg/Nm3;ε——气体膨胀系数;t——介质温度,℃。

如(P1-P2)÷P1≤0.08,ε=1

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

当P2≤0.5P1时

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1.3 调节阀的Cv值范围

(1)等百分比阀门

阀门的额定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,或者说,正常流量Cv值是阀门额定Cv值的30%~70%。

(2)线性阀门

的额定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,或者说,正常流量Cv值是阀门额定肠值的60%~80%。

2 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。

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,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。

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图 1 流体系统流量—压力曲线图

图 1 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:

△Pp=△Pf0-(1/ρ)×(F/Cp)2

这里可以将管道流体的压力变化分解成几个部分,即:△Pp(调节阀人口增压),△Pv(调节阀上的压降),△Pa(热交换器上的压降),△Pt(管道上的压降),△Pg(流体动势能转换压降)。其中:△Pf0为在零流量下的调节阀人口压力增压;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:

△Pt =(1/ρ)×(F/Ct)2

流体在热交换器上的压降特性方程为:

△Pa =(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:

△Pv=(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。

3 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。

(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)。

4 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,这样才能充分发挥调节阀的作用。笔者将石油化工调节阀应用的一点经验总结出来,希望能给同行提供借鉴。

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