石油化工調節(jié)閥應用技術探討
摘要：首先介紹了石油化工企業(yè)中調節(jié)閥的基本原理，然后詳細介紹了在選型和實際應用中調節(jié)閥的流通能力、壓降、噪聲等技術問題，提出了一些安全、可靠、切實可行的做法，探討如何使調節(jié)閥在生產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)生產過程自動化程度日益提高，用來控制流體流量的調節(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各項質量及安全生產指標的調節(jié)閥，它在穩(wěn)定生產、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節(jié)手段，同時又是一個會產生節(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，調節(jié)閥的腐蝕、沖刷、磨損、振動、內漏等問題不斷發(fā)生，從而導致調節(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)和裝置的生產效率大幅度下降，嚴重時可以導致全線停車。選擇調節(jié)閥時，首先要收集完整的工藝流體的物理特性參數與調節(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。在對調節(jié)閥具體選型確定前，還必須充分掌握和確定調節(jié)閥本身的結構、形式、材料等方面的特點，而技術方面主要考慮流通能力、壓降、噪音等問題。
1 調節(jié)閥工作原理簡介
1.1 伯努利方程
由水力學觀點來看，調節(jié)閥是一個具有局部阻力的節(jié)流元件。當流體流經調節(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調節(jié)閥時的能量損失；
K——為阻力系數；
V——流體平均流速，（V = Q ÷ S）；
Q——流體體積流量，m3/h；
S——調節(jié)閥流通面積，m2；
g——重力加速度，981cm/s2；
r——流體重度，g/cm3；
P1、P2——調節(jié)閥前、后絕對壓力，kgf/cm2。
代人上述公式得出：
代入具體數值后得出：
C 稱為調節(jié)閥流通系數或流通能力。
C 值表示調節(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。
1.2 氣體調節(jié)閥的 Cv 值計算（要考慮壓縮系數）
當 P2 < 0.5P1 時：
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；t——介質溫度，℃。
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 時
1.3 調節(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 調節(jié)閥壓降的系統(tǒng)考慮
調節(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)中介質的流速增加時，流體通過管道上的各種安裝部件時產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，在分析與調節(jié)閥有關的系統(tǒng)問題時，不僅要考慮到調節(jié)閥本身的問題，而且也要考慮到調節(jié)閥的壓降對系統(tǒng)動態(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（調節(jié)閥人口增壓），△Pv（調節(jié)閥上的壓降），△Pa（熱交換器上的壓降），△Pt（管道上的壓降），△Pg（流體動勢能轉換壓降）。其中：△Pf0 為在零流量下的調節(jié)閥人口壓力增壓；ρ 為液體介質的質量密度；F 為液體介質的質量流量。
Cp 為常數。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，它要根據調節(jié)閥的閥桿位置的變化而變化的。
3 調節(jié)閥的噪音分析
氣蝕和噪音是調節(jié)閥在控制高壓差流體中的兩大公害。調節(jié)閥上的噪音更是石油化工生產中的主要污染源。在使用中除需選用低噪音結構的調節(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。調節(jié)閥在工作時，應注意它的噪音情況，分析好噪音的產生機理可以更好地監(jiān)視調節(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生的噪音，這種情況一般是由于調節(jié)回路執(zhí)行器等的阻尼因素引起的，對此可以重新調節(jié)阻尼系數或者在閥芯位移方向上加上減振設施。
（4）介質的力學流動性——介質在管道或者調節(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（氣蝕也會產生噪音）。
4 結論
調節(jié)閥的選型和應用是一個專業(yè)性強、涉及的技術領域廣的系統(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，而且要結合實際使用經驗來綜合分析判斷，這樣才能充分發(fā)揮調節(jié)閥的作用。筆者將石油化工調節(jié)閥應用的一點經驗總結出來，希望能給同行提供借鑒。
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