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調(diào)節(jié)閥應(yīng)用技術(shù)探討

隨著在石油化工企業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)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(gè)行業(yè)。對于熱力、化工過程控制系統(tǒng)，作為zui終控制過程介質(zhì)各項(xiàng)質(zhì)量及安全生產(chǎn)指標(biāo)的調(diào)節(jié)閥，它在穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化控制、維護(hù)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(shí)又是一個(gè)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(fù)荷運(yùn)行，調(diào)節(jié)閥的腐蝕、沖刷、磨損、振動(dòng)、內(nèi)漏等問題不斷發(fā)生，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的使用壽命縮短、工作可靠性下降、進(jìn)而引起工藝系統(tǒng)和裝置的生產(chǎn)效率大幅度下降，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致全線停車。選擇調(diào)節(jié)閥時(shí)，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、zui大流量、zui小流量、zui大流量與zui小流量下的進(jìn)出口壓力、zui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(diǎn)，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(xué)觀點(diǎn)來看，調(diào)節(jié)閥是一個(gè)具有局部阻力的節(jié)流元件。當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，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(shí)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、后壓力，kgf/cm2。

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(shí)，其兩端壓力降 △P＝1kgf/cm2，流體重度為 1g/cm2 時(shí)，每小時(shí)通過閥門的立方米數(shù)。

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

當(dāng) P2 < 0.5P1 時(shí)：

式中：Q——Nm3/h；rH——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體重度，kg/Nm3；ε——?dú)怏w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(dāng) P2 ≤ 0.5P1 時(shí)

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zui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zui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zui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(yīng)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(gè)要求是不能同時(shí)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(dāng)管道系統(tǒng)中介質(zhì)的流速增加時(shí)，流體通過管道上的各種安裝部件時(shí)產(chǎn)生的流體壓降也會發(fā)生一系列的動(dòng)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(gè)很重要而又容易被忽略的因素，在分析與調(diào)節(jié)閥有關(guān)的系統(tǒng)問題時(shí)，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(dòng)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(yīng)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(gè)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(dòng)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(dá)為：

△Pv = (1/ρ) × (F/Cv)2

這里的 Cv 是一個(gè)動(dòng)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(shí)，應(yīng)注意它的噪音情況，分析好噪音的產(chǎn)生機(jī)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(jī)械類振動(dòng)——如當(dāng)閥芯在套筒內(nèi)水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)——如閥芯或者其它的組件，它們都有一個(gè)固有振動(dòng)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(dòng)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(shè)施。

（4）介質(zhì)的力學(xué)流動(dòng)性——介質(zhì)在管道或者調(diào)節(jié)閥中流動(dòng)時(shí)，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）。

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