石油化工装置调节阀的设计选用1

1石油化工装置调节阀的设计选用许莉1，王雪2张红梅3（1.辽宁省体育彩票发行中心，辽宁辽宁110003；2.3中国兵器工业部北方华锦化工规划设计公司，辽宁辽宁124021）1、引言石油化工是我国国民经济支柱产业之一，其所实现的利润占全国国有及国有控股企业总利润的1/4左右。随着石油化工工业持续稳定发展，装置规模不断扩大，大型的炼油、乙烯及炼化一体化项目相继建成投产运行，这就要求自动化水平不断提高。在现代流程工业的自动控制系统中，调节阀起着十分至关重要的作用，工厂的生产取决于流动着的液体和气体的正确分配和控制。这些控制无论是能量的交换、压力的降低或者是简单的容器加料，都需要靠某些最终控制元件即调节阀来完成。在自控工程设计中调节阀在控制系统中也起着极其重要的作用，控制品质与调节阀的正确选用与使用有着十分密切的关系，绝不能因其简单而有所疏忽。下面就调节阀的工作原理、流量特性、CV值选取、动态特性、阀门定位器的应用等方面进行论述。2、调节阀的工作原理调节阀的作用可理解为安装在管道上的可变阻力元件，其阀芯可在阀体内移动。调节阀通过改变流体的流通面积来控制被控介质的流量，以达到调节工艺变量的目的。根据伯努利方程按能量不变原理可推导出调节阀流过量为：A：调节阀流体面积ξ：调节阀的阻力系数P1：阀前绝压ρ：流体密度P2：阀后绝压Q：体积流量设则C：流量系数1）由于阻力系数ξ是随阀门不同结构而异，故不同结构的流路，其KV值是不同的，如蝶阀、球阀流路简单，ξ值小，故KV值大；套筒阀、高压球芯阀流路复杂，ξ值大，KV值就小。因此，用流量系数C来表征阀门的容量（即流通能力）是很恰当的。2）该公式仅适用于牛顿流体，不适用于非牛顿流体，如泥浆、胶液等雷诺数很低非湍2流状的流体及两相混合物的计算。3）流量系数CV：在每平方英寸磅的压力下，每分钟流过阀门600F（15.6℃）水的加仑数（英制单位流量系数）。KV：在0.1MPa压力降下，每小时流过阀门5~40℃水的立方米数（国际单位流量系数）。C：在1kgf/cm2压力降下，每小时流过阀门5~40℃水的立方米数（中国流量系数）。C=1.16KVCV=1.17KVKV=1.01C3、调节阀的组成及分类调节阀由执行机构和阀门两部分组成。按照执行机构的动力源分类有气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀和混合型调节阀四大类。气动调节阀按其执行机构形式又分为气动薄膜式调节阀、活塞式调节阀和长行程调节阀。阀门部分由阀体和阀内件组成。按阀体结构形式分为单座阀、双座阀、角阀、三通阀、偏心旋转阀、蝶阀、球阀、快速切断阀、隔膜阀、阀体分离型阀、低噪音阀、波纹管密封阀、低温阀和旋塞阀等。4、调节阀的流量特性流量特性是指阀门的行程与流量之间的关系。流量特性是反映调节阀的开度与流量的变化关系，以适应系统的特性要求，如对流量调节系统反应速度快需对数特性；对温度调节系统反应速度慢，需线性流量特性。流量特性反映了调节阀的调节品质。流量特性分为理想特性和工作特性。理想特性亦称固有流量特性，分快开、直线、抛物线、等百分比特性，但抛物线接近等百分比特性，快开特性只用于开关控制，所以作为节流控制实际上只有直线和等百分比特性两种。理想特性是由制造厂制造时确定的。调节阀在实际运行时，其前后的压差是变化的，此时流量特性称为工作流量特性。流量特性选择的基本原则：（1）流量调节阀优选等百分比特性/直线特性；（2）压力调节阀优选等百分比特性/直线特性；（3）温度调节阀优选等百分比特性/直线特性；（4）液位调节阀优选直线特性/等百分比特性；5、计算调节阀的口径根据工艺条件判别阻塞流与非阻塞流，判别式为3△P＜F2L（P1-FCPC）为非阻塞流△P≥F2L（P1-FCPC）为阻塞流通过计算流量系数，确定调节阀口径。同口径Kv值越大越好。6、调节阀噪音预估调节阀噪音主要来自液体动力学噪音和气体动力学噪音。液体动力学噪音是当液体流过阀时产生空化现象，气泡破裂而产生巨大噪音。噪音频率约在15~10000Hz很宽范围。气体动力学噪音包括气体和水蒸汽产生的噪音。由于预估计算比较复杂繁琐，许多用户或设计单位都由制造厂负责设计计算，应符合我国环保要求。7、调节阀的设计选用（1）调节阀结构形式选择依据调节功能，泄露等级及切断压差，耐压及耐温，冲蚀、气蚀腐蚀，流体介质，使用生命周期，维护及备件，性能价格比，建议调节阀选择顺序为：单（双）座（GLOBE）阀、笼式单（双）座（CAGE）阀、偏心旋转阀、蝶阀、角阀、球阀（V.O）、三通阀、特殊调节阀等。调节阀结构形式选择表（建议）调节切断克服△P防堵耐腐耐压耐高温单座阀√OOX√√√双座阀√X√XO√√套筒阀√X√XO√√角型阀√OOO√√√三通阀√XXXXXX蝶阀阀√√X√√O√球阀√√√√√√√偏心阀√√√√√√√“√”表示最佳“O”表示可用“X”表示差调节阀结构形式选择时注意的问题如下：严密关闭阀（TSO）a.选择顺序为：球阀、单座阀、偏心旋转阀、蝶阀、角阀等。4b.阀芯阀座密封形式——阀芯硬密封/阀座硬密封，用于不干净介质、温度、高压、高差压场合，泄露等级5级；——阀芯硬密封/阀座软密封，用于一般场合，泄露等级5级或6级。c．必须提出最大切断压差，是选择阀的关键条件之一。d.必要时提出紧急切断动作时间。高温高压、高压差阀a.选择顺序为：角型阀、单座阀、套筒阀b.特别注意“空化（xavitation、气蚀、空蚀）”、“阻塞流（闪点）”导致阀芯、阀座损坏，带来噪音和振动的危害。锅炉主给水调节阀、给水旁路调节阀、给水再循环调节阀、减温水调节阀、凝结水再循环调节阀、锅炉连续排污调节阀、高压蒸汽压力调节阀、合成氨高压差调节阀等。c.高压、高差压调节阀阀体选用锻钢件。d.高压、高差压调节阀应选用带多级套筒式、多级阀芯式、多级碟版式等防空化组件。（2）调节阀的作用方式选择根据工艺生产安全确定阀的气开（FC-气源故障时关）、气关（FO-气源故障时阀开），由工艺决定确定并在PID表示。执行机构作用方式的选择：——正作用，信号增加，推杆向下运动；——反作用，信号增加，推杆向上运动。建议单导向阀（FO）配正作用执行机构；单导向阀（FC）配反作用执行机构；双导向阀（FC/FO）配正作用执行机构。（3）调节阀执行机构选择依据可靠性，经济性，动作平稳、足够的输出力，结构简单，维护方便，重量轻等，建议选择顺序为：气动薄膜执行机构（直行程用）；气缸执行机构（单气缸弹簧复位、双气缸）直行程、角行程均适应；电动执行机构（包括马达驱动阀MOV）；液动执行机构。（4）调节阀的材料选择阀体材料选择要考虑三个因素：介质的腐蚀成分、温度、压力。介质的腐蚀性是选择阀体材料的关键，温度也是影响材料性能的又一关键因素；设计温度在-40～400℃的范围内，介质无腐蚀性工况下选用炭钢就可以。设计温度在-200～530℃的范围内，材料选用3045（0Cr18Ni9）或316（0Cr17Ni12Mo2）不锈钢，并且能耐腐蚀性介质。压力的高低主要影响法兰的压力等级；但对于高压阀体要考虑材料的性能。因此，阀体材料选择主要是综合考虑介质的腐蚀性、温度与压力条件而定。阀内件材料的选择除了要考虑介质的腐蚀成分、温度、压力外，还要考虑在液体条件下的闪蒸和汽蚀。选材方式跟阀体材料选择是一样的，但最低要求是不锈钢；在有闪蒸、汽蚀的条件下，要做特别考虑，表面需要堆焊耐闪蒸和汽蚀的材料（司太莱或合金6）或硬化处理。下面是闪蒸和气蚀的概念与产生条件。流体流经调节阀时，由于节流处流速增大，压力下降，当压力低于饱和蒸汽压（PV）后，液体就会分裂出气体来，形成气液双相流动，这就是所谓的闪蒸。引起闪蒸的压差条件是：△P≥FL2（P1－PV），其中FL为压力恢复系数，P1为阀前压力，PV为入口温度下饱和蒸汽压。当介质流经节流口后，节流速度开始逐渐下降，压力开始逐步恢复，当压力恢复到大于饱和蒸气压时，汽泡破裂回到液态，就在破裂的瞬间，产生强大的压力冲击波，使作用的阀芯、阀座表面的材料冲击成蜂窝状的小孔，并引起振动和噪音，这就是所谓的气蚀。另外，在气体工况下，压差大、流速高，就会产生噪音，噪音小于85dB属于正常工况；大于85dB就要加降噪处理，像降噪板或者套筒式打孔阀心；如果噪音过大，要加二级降噪或三级降噪，直到噪音小于85dB为止。上阀盖的材料与阀体材料一致。主要是上阀盖的形式选择与设计温度有关：设计温度范围在-46～200℃选用标准型上阀盖；设计温度范围在-196～-46℃选用长颈型上阀盖；设计温度范围在200～530℃选用散热片型上阀盖。填料选择主要考虑温度条件：设计温度范围在-40～250℃(实际应用时-40~100℃)选用PTFE（聚四氟乙烯）V型填料；设计温度范围在-40～400℃选用石墨+因科镍填料；设计温度范围在-196～530℃选用纯石墨填料（密度1.2）；设计温度范围在-196～200℃选用石墨+PTFE填料。如果有真空，填料要选用双向填充形式或石墨。旋转型调节阀、高温调节阀均采用柔性O型石墨填料。（5）调节阀流向的选择单座阀、角型阀、小流量阀、高压阀等流量可选择。三通阀、文丘里角阀、笼式阀、双座阀、V球型阀、偏心旋转阀、三偏心蝶阀等流向不能选择。球阀、蝶阀等流向没有要求。流向选择：稳定性，流开、流闭均可；6使用寿命，流闭；自洁性，流闭；密封性，流闭；输出力，流闭；动作速度，流开；闪蒸，流开；高压阀、高压差阀，压力高、差压大，汽蚀冲刷严重选流闭；单座阀（GLOB），通常选流开；防喘振阀通常选流开；小流量阀通常选流开；开-关阀通常选流闭。选择流闭阀应注意：最小开度＞20%~30%，选择等百分比特性。（6）调节阀的附件选择智能型阀门定位器，提高执行机构输出力，可使阀门的供气速度快、阀的动作速度加快；数字阀门定位器（现场总线）除上述功能外，带PID控制功能，现场总线诊断功能，阀门特性曲线记录功能。电磁阀应长期带电，优先选用24VDC4W低功率的电磁阀。限位开关，优先选用接近开关（无触点），行程开关（有触点）。手轮机构，根据工艺要求选择侧装或顶装。另外，根据工艺要求，选用空气过滤减压阀、空气贮罐、继动器、止回阀、自锁阀、阀位变送器、阀位限制器等。总之，执行机构选择主要是考虑调节阀受流体作用力影响，产生使阀芯上下移动的轴向力或使阀芯旋转的切向力。对于直行程的调节阀，轴向力影响信号与位移的关系，这一轴向力称为不平衡力。对角位移的调节阀，如蝶阀、球阀、偏心旋转阀等，影响其角位移的切向合力矩称为不平衡力矩。影响不平衡力（矩）的因素很多，主要是阀的结构型式、压差、流向因素。阀的结构型式中又包括阀的类型、节流形式、阀芯（塞）形状、阀芯正装或反装、阀杆直径与阀座直径大小等关系。综合考虑各种因素将计算出的推力或转矩乘以1.5～2.0的安全系数就是执行机构的实际推力或转矩。附件选择主要是根据工艺条件要求选配，例如定位器、手轮、限位开关、电磁阀等。8、结束语7在长期的设计实践中，体会到了调节阀在现代化工流程中的重要性。调节阀的选用是比较复杂的，设计选用中知道如何根据工艺条件及工艺数据选择阀的类型和阀体、阀心、填充材料，如何计算Kv（或Cv值）值及口径；计算执行机构的推力或转矩；以及选配其它附件，例如手轮、定位器、限位开关、电磁阀等，进而保证调节阀的调节品质。参考文献1、石油化工自动控制设计手册，第三版，化学工业出版社，2000年1月第三版2、自动化与仪表工程师手册，化学工业出版社，2010年1月北京第一版