调节阀在阻塞流及闪蒸工况下的的分析与应用

调节阀在阻塞流及闪蒸工况下的的分析与应用摘要：分别以循环水池液位调节阀和换热器冷凝液调节阀为例，通过现场反馈信息的分析，阐述液体工况下产生阻塞流和闪蒸、气蚀现象的原因并进行分析，提出解决方案，从而防止阻塞流现象的发生以及降低闪蒸气蚀对调节阀的损害。关键词：调节阀；阻塞流；压力恢复系数；闪蒸；气蚀中图分类号：tp214文献标识码：a文章编号：一、引言调节阀是控制回路中的终端执行元件，也是决定调节过程是否及时、有效的重要环节。但在实际的工程应用中，对于一些苛刻工况下的调节阀，尤其是在液体应用场合中发生阻塞流和闪蒸、气蚀时，往往容易被人忽视，可能造成流经调节阀的流体无法达到原设计流量，严重时会对阀内件以及阀后管件造成很大的破坏，严重影响调节阀的工作性能和使用寿命，同时还加剧噪声、振动，造成安全隐患。二、阻塞流工况下的调节阀的应用1)阻塞流现象所谓阻塞流是指不可压缩流体在流过调节阀时所达到的最大流量状态。当阀入口压力p1保持一定，而逐步降低阀后压力p2时，流经调节阀的流量会增加到一个最大极限值，再继续降低p2，流量不再增加。此时的流动状态即为阻塞流。显然，当形成阻塞流后，流量与压差δp=p1-p2的关系变为图1所示曲线。2)工艺条件简介以及分析如图2所示，调节阀安装在循环水管线的出口处，工艺条件如下：阀前压力：0.6mpa（g）；阀后为常压，即0mpa（g）；介质：循环水；水温度：30℃；流量正常：100t/h，最大150t/h；介质密度：1000kg/m3；粘度：1cp；工艺管径：8”。腐蚀性：无。原调节阀为普通的直通单座阀，经现场使用一段时间后，该阀门无法满足流量要求，即使调节阀全开，仍无法达到预计的流量。经计算原调节阀的开度，发现理论上应该能够满足设计流量，因此可能是由于阻塞流所造成的。因此，首先需要判断该工况下是否发生了阻塞流现象。非阻塞流判别式：阻塞流判别式：式中：p1——阀入口绝对压力，mpa；δp——阀入口和出口间的压差，mpa；fl——液体压力恢复系数，表示控制阀内部流体流经缩流处后，动能转换为静压的恢复能力；ff——液体临界压力比系数；ff是阻塞流条件下的缩流断面压力与阀入口温度下的液体饱和蒸汽压力pv之比，是pv与液体临界压力pc之比的函数。可由图3查的，或由以下公式近似确定。pv——阀入口温度饱和蒸汽压（绝压），mpa；pc——热力学临界压力（绝压），mpa；根据本案例的工况以及条件，本工况原调节阀为直通单座阀，流向为流开，其压力恢复系数为0.9，且水在30℃时的饱和蒸汽压为47kpa（a），水的临界压力为22100kpakpa（a），将数值带入上述公式可以判断出流体流经调节阀后产生阻塞流。也就是说，当阀门两边的压差降低至某一数值时，阀门流量不随着压差的增大而增大，因此导致阀门的流通能力不能满足理论计算的结果，所以即使阀门全开，其流量仍无法满足设计流量的要求。3)解决方案一般情况下，对于阻塞流的工况，可采取降低阀门端压差或改变阀门形式，即改变阀门的压力恢复系数来避免阻塞流的发生。对于本工况，更为合理且有效的方法是改变阀门形式。经选型，选用某国产厂家单座套筒阀，其压力恢复系数为0.96，经过计算，其为非阻塞流，经计算，其正常开度为56.37%，最大为66.73%。经过现场一段时间的使用，其流通能力满足工艺要求，使用效果良好。三、闪蒸、气蚀工况下的调节阀的应用1)空化、闪蒸现象不可压缩流体在通过调节阀阀芯、阀座的缩流断面处，其压力降低到等于或低于该液体在阀入口温度下的饱和蒸汽压时，部分液体就会汽化，形成气泡，若缩流断面后流体的压力恢复到高于上述饱和蒸汽压时，气泡破裂，释放出能量，此现象称为空化。若缩流断面后流体的压力没有恢复到饱和蒸汽压以上，则部分液体会汽化成气体，此现象称为闪蒸。不管是闪蒸还是空化，都会对阀门造成严重的破坏，影响其使用寿命，降低调节阀的工作性能，同时还会导致出现剧烈的振动和高强噪声，构成安全隐患。2)工艺条件简述及分析该调节阀为换热器冷凝液管线上的调节阀，通过被换热介质的出口温度，调节换热器高压蒸汽冷凝液流量。其操作压力为5.5mpa（g），操作温度为269.9℃，操作压差为5.02mpa，操作密度767.9kg/m3，正常流量6115kg/h，最大流量6727kg/h，最小流量1109kg/h，工艺管径为4”，介质为冷凝水。现场原有的阀门为普通的直通单座阀，根据现场反馈，该调节阀使用一段时间后（一般为半年左右），其阀体底部会出现沙眼，出现泄漏，向外喷蒸汽。阀芯也被冲刷损坏。如图4所示。其实，该工况的应用是一种很典型的闪蒸工况的应用，利用阀门或其他节流装置，将高压冷凝液降压闪蒸为低压蒸汽，一般情况下，希望闪蒸阀距下游设备、容器越近越好，这样当发生闪蒸后，气体迅速进入设备中，相当于一个无限大的空间内，将能量及时的释放掉，以缓解闪蒸对阀门的冲刷和损害。但是该案例中的调节阀安装在靠近换热器的地方，距下游设备比较远，同时，水在269.9℃时的饱和蒸汽压为5.5mpa（g），即调节阀在降压后，其压力没有恢复到饱和蒸汽压以上，所以可以判断调节阀后发生了闪蒸现象。计算调节阀的闪蒸量应使用以下公式：hf1——在入口温度时饱和液体的焓；hf2——在出口压力时饱和液体的焓；hfg2——在出口压力时汽化的焓。在蒸汽表中查得相应的焓值，代入公式可以得出，其闪蒸量约为19%。而阀门出口处液体的密度为907.4kg/m3，蒸汽密度为3.258kg/m3，由此可知，出口处气体的体积约为液体体积的65倍，因此，气体占据了大量的空间，导致流体流速急剧增加，而对于单座阀，其阀内的流道为s型，现场使用的阀门流向为流闭式，当流体流经缩流断面后，高速流体剧烈的冲刷阀内件以及阀门的底部，最终导致阀门底部出现砂眼而泄露，阀内件也出现损坏。3)解决方案闪蒸与阻塞流或者空化现象不同，后者是可以避免的，而前者是由工艺条件所决定的，无法避免，因此，如果不改变工艺，是无法从根本上解决阀门冲刷的问题的，只能够通过相应的措施来缓解冲刷对阀门造成的损害。正如前文所述，一般情况下，可将闪蒸安装在尽可能靠近下游容器的地方，以此来减少泄放能量，缓解阀门的冲蚀。另外，也可选用角阀，采用侧进底出的流向，当流体在缩流断面发生闪蒸后，进入直行流道，流入管道之中，在流体进入管道后，相当于进入一个无限大的空间中，进而将能量释放，减少闪蒸对阀门的冲刷，同时，可在角阀内出口的法兰以及阀体内壁衬陶瓷衬里，因为流体在缩流断面后的一段距离内，其流速仍然很快，增加陶瓷衬里后能够有效的抵御高流速对阀体的冲刷，保证阀门的使用寿命。四、结束语在工程中对阻塞流以及闪蒸工况的处理方法还有很多，对于阻塞流，主要可通过改变阀门形式，选择高压力恢复系数的阀门来满足要求，如套筒阀，迷宫式速控制阀等。或者在阀门选型计算时，采取压差修正的方法来避免阻塞流，即用阻塞流的临界压差代替实际压差进行计算cv。而对于闪蒸工况，首先可以从工艺上来避免闪蒸发生在调节阀上，如在阀门后增加孔板，改变阀阻比，即改变调节阀两端的压力降，提高调节阀背压，使阀门出口压力高于流体的饱和蒸汽压，这样流体在流经调节阀是就不会发生闪蒸，当然也需要注意阻塞流的发生。如果工艺无法改变，可根据实际情况，采用上文介绍的方案来缓解闪蒸对调节阀的损害，延长调节阀的使用寿命。不管是阻塞流还是闪蒸的工况，都建议调节阀的阀内件采用硬质合金堆焊的处理方法，因阀门内件的强度相对于阀体而言要差一些，所以要通过增加阀门内件的强度来降低苛刻工况下流体对内件的损伤。参考文献：[1]陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动化控制设计手册[m].第三版.北京：化学工业出版社，2000[2]skousen,p.l.阀门手册[m].孙家孔，译.第二版.北京：中国石化出版社，2005[3]俞旭波.工程设计中控制阀压力恢复系数fl的动态应用分析[j].石油化工自动化，2003(1)：15-18[4]刘芳.控制阀闪蒸和空化现象及阻塞流的计算[j].石油化工自动化，2010(2)：64-68注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。