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惡劣工況下如何進行調節閥的選型設計
發布于：2019/10/8 8:59:36 點擊量：139
調節閥是生產自動化系統中最常見的一種執行器，在生產過程中的應用已遍及到各個行業，調節閥通過接收調節控制單元輸出的控制信號，借助動力操作去控制流體的壓力或流量，在穩定生產、優化控制、維護及檢修控制等方面都起著舉足輕重的作用。
由于海洋環境較陸地惡劣，介質的物理、化學性質也千差萬別，因此選擇安全、適用、可靠、經濟的調節閥，滿足工藝調節要求，提高控制水平，延長使用壽命，是設計人員最為關注的問題。
1 調節閥的設計及選型
選擇合適的調節閥，首先要確定工況條件。CFD18-1海洋平臺置換泵出口管道外徑及壁厚為4〃Sch160，調節閥流體為海水，閥入口壓力11500KPaA，出口壓力300KPaA，前后壓差較大，流量最大為80m3/h，設計溫度為39℃，下面介紹選型過程。
1.1 調節閥執行機構
調節閥按照其執行機構的動力源分類為氣動調節閥、電動調節閥、液動調節閥和混合型調節閥四大類。根據對工況條件分析，閥前后壓差較大，要求閥座結構的導向性好，選擇閥門形式為直通平衡式導向閥。另一方面，CFD18-1海洋平臺無儀表氣，液壓控制效率較低，故選擇電動執行機構。
1.2 調節閥的流量特性
流量特性指隨著開度從0%到100%變化時通過閥門的流量與閥門行程之間的關系。常用理想的流量特性主要有直線、等百分比、拋物線和快開四種。但拋物線流量特性與等百分比流量特性較為接近，前者可以用后者代替，而快開特性又主要用于位式控制和順序控制，因而流量特性的選擇一般局限于直線特性與等百分特性的選擇。在CFD18-1項目中，上游泵出口壓力基本為定值，下游壓力為300KPaA，壓差基本恒定，所以選擇線性特性的調節閥。
1.3 調節閥口徑的選定
口徑過小，會使調節閥不能通過工藝對象要求的最大流量，或使能耗增加；口徑過大，不僅使投資增加，而且使調節閥經常在小開度條件下工作，可調比減小，調節性能變壞，容易造成控制系統不穩定。口徑的選擇和確定主要依據閥的流通能力CV。下面介紹以CFD18-1工況條件下，管道為4〃，使用Intools儀表軟件計算調節閥的CV值。將需要的工藝參數添加到軟件相應的位置中，如圖1，計算結果如圖2。
由計算結果顯示，流體在閥體內出現空化現象。下面介紹產生的機理。
圖3用來表示流體介質流經閥體內部的壓力變化：P1閥的入口壓力；P2閥的出口壓力；Pv閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓；Pvc流體縮流斷面的壓力。
流體介質通過閥體的時候，如圖3，Pvc大于Pv，液體不會引起沸騰的狀態；當液體壓力小于入口溫度飽和蒸汽壓時，如圖4，液體開始沸騰，出現氣泡，當液體介質流經閥座后下方下降的壓力，在下游一側逐漸回升，當達到飽和蒸汽壓時，氣泡因再次受壓而破滅，氣泡在急劇破滅的過程中，向四周釋放能量，并沖擊閥體本身和管道內壁，這就產生了以上計算的結果—“氣蝕”，即空化現象。
當流體介質流經閥座后下降的壓力，在下游一側逐漸回升，如在下游沒有達到飽和蒸汽壓時，閥的出口就會出現閃蒸現象，如圖5所示。調節閥的閥內件直接與流體接觸，是氣蝕與閃蒸影響最為嚴重的地方。
針對CFD18-1項目出現的空化現象，噪音很高，已經超出設計要求水平，這就要求在閥芯結構和內件上選擇滿足工況的類型。
a）選用套筒結構的調節閥，套筒四周開有不同形狀的窗口，采用平衡型的閥芯結構，不平衡力小，穩定性好，不易振蕩，允許壓
差范圍大，而且有降低噪聲的作用；
b）選用Fisher公司的Cavitrol Trim III內件，如圖6，它采用二級對液體進行分級降壓，特殊形狀的孔道和鉆孔技術使介質壓力保持在汽化壓力之上防止氣蝕產生；
c）內件采用S32550硬化材料制造，抗腐蝕性加強。
總之，要防止或降低閃蒸或氣蝕的破壞，總的原則可采用多級節流、調節閥選用優質材料、增加閥門縮流管道后的管道截面等措施。
綜合CV值，選擇調節閥體尺寸為2〃，經fisher廠家計算在正常工作狀態下開度在55%-61%之間，滿足工藝和設計需要。
1.4 調節閥材質的選擇
CFD18-1項目中調節閥的流體介質為海水，不能使用常規的碳鋼或者316不銹鋼，故選擇CD3MN雙向不銹鋼抵抗海水的腐蝕。
綜上所述，閥門的選型過程概括如下：
（1）確定工況條件：
a）P1、△P、Q、T1流體特性，允許噪聲等；
b）選擇閥體和閥內件要求的合適的壓力等級；
（2）計算要求的初始CV值：
a）檢查噪音和氣蝕水平；
（3）選擇閥內件類型：
a）若沒有噪音或氣蝕提示，選擇標準閥內件；
b）若噪音很高，選擇降噪閥內件；
（4）選擇閥體閥內件尺寸：
a）根據要求的CV值，選擇閥體和閥內件尺寸；
（5）選擇閥內件材料：
a）為應用場合而選擇閥內件材料，確保所選閥內件在用于所選閥門口徑的閥內件組別里找到；
（6）附加項選擇：
a）閥桿填料，閥門定位器等可選項。
2 其他惡劣條件下調節閥的選擇原則
2.1 高溫條件
（1）采用具有高溫強度的殼體材料和內件材料，所用材料不能因高溫作用而粘結、塑變，溫度極高時，適用的閥形有節流閥、蝶閥。
（2）閥體材料可考慮帶有散熱片、閥內件采用熱硬性材料。對于工作溫度高于450°F（232℃）的調節閥，使用半金屬或彈性層壓石墨填料，纏繞不銹鋼和彈性石墨的墊片；對溫度高于1000°F（538℃）的工況，閥體通常用鉻-鉬鋼鑄造；高于1500°F（816℃）的工況，選用ASTM A351等級CF8M，316型不銹鋼，其含碳量必須控制在0.04%-0.08%這個范圍的上限。
2.2 低溫條件
（1）在結構上設置泄壓孔或者排氣孔，在閥門上設置引出管或安全閥，以排除異常高壓。
（2）冰霜會造成閥桿填料的撕裂，破壞密封，可使用伸長型閥蓋。
（3）針對低溫場合的閥門材料選擇通常是閥體和上閥蓋用CF8M，閥內件用300系列不銹鋼。
2.3 大流通能力
（1）采用籠式結構的閥體型式，超長的閥芯行程以及擴展式出口管道連接口，降低大口徑閥門的噪音輸出。
（2）執行機構可選用長行程、雙作用氣缸式。
2.4 小流量控制
（1）在球形調節閥的閥芯上銑出小槽和V形槽，也可以得到很小的流量系數。
（2）可以采用長錐形結構。可以根據需要挑選行程短、功率大、壓差大的小流量閥。
2.5 腐蝕和磨損條件
（1）選擇的閥體流道要光滑，流線形的閥體結構能防止顆粒的直接撞擊，可避免渦流并減少磨損。
（2）在腐蝕的介質條件下，選擇結構簡單可以增加襯里的調節閥，可選用奧氏體不銹鋼或者雙相不銹鋼、特殊合金（蒙乃爾）的
單座、雙座調節閥，或選用隔膜閥、加襯蝶閥、球閥等類型。
（3）如果介質是極強的有機酸或無機酸，則可以用全鈦調節閥。
2.6 粘性介質
（1）對粘性高的液體，調節閥的流路越簡單越好。
（2）適用于粘性的介質的調節閥有球閥、V形球閥、隔膜閥、帶導流孔的平板閘閥及偏轉閥。管夾閥的應用雖然很有限，但用于粘度很大的泥漿液時性能卻很好。
（3）粘性介質有凝固、快速結晶、結冰等危險，在操作粘性介質時，可以利用有保溫夾套的調節閥。
3 結論
調節閥的選型和應用是一個專業性強、涉及技術領域廣的系統工作，其正確選擇主要是根據現場被控介質的特點、控制要求、不平衡力校核、允許壓差、環境條件及調節閥本身的特性進行選用。且選用的閥應盡量簡單、可靠、價廉、壽命長、維護方便、備件有來源。選型應用的過程是經驗和技術的累積，要在理論和實踐基礎上了解掌握調節閥的各種特點，做到滿足工藝要求和現場環境。
參考文獻
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