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蔡曙輝

1  序言
隨著科技進(jìn)步，在生產(chǎn)過程自動(dòng)化中，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)，作為最終控制過程介質(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(huì)產(chǎn)生節(jié)流能耗的部件。以化工廠為例，隨著裝置高負(fù)荷的運(yùn)行以及30%增容的實(shí)施，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。這在如今視質(zhì)量和效益為生命的企業(yè)管理中尤為重要和緊迫，對此，如何選擇和安裝好調(diào)節(jié)閥，使調(diào)節(jié)閥在一個(gè)高水平狀態(tài)下運(yùn)行將是一個(gè)很關(guān)鍵的問題，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、最大流量、最小流量、最大流量與最小流量下的進(jìn)出口壓力、最大切斷壓差等。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)閥體本身的結(jié)構(gòu)、形式、材料等方面的特點(diǎn)。而技術(shù)方面主要考慮流量特性、壓降、閃蒸、氣蝕、噪音等問題。
下面就調(diào)節(jié)閥應(yīng)用中的技術(shù)方面問題進(jìn)行詳細(xì)闡述。
2  如何選擇流量特性
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過伐門的相對流量與相對位移間的關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
Q/Qmax=f（l/L）
式中Q/Qmax為相對流量，為調(diào)節(jié)閥在某一開度時(shí)流量Q與全開流量Qmax之比；l/L為相對位移，為調(diào)節(jié)閥在某一開度時(shí)伐芯位移l與全開位移L之比。
選擇的總體原則是調(diào)節(jié)閥的流量特性應(yīng)與調(diào)節(jié)對象特性及調(diào)節(jié)器特性相反，這樣可使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的綜合特性接近于線性。通常按工藝系統(tǒng)要求進(jìn)行，但是還要考慮很多實(shí)際情況，現(xiàn)分別敘述如下。
(1)  直線性流量調(diào)節(jié)閥
直線性流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對位移成直線關(guān)系即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。
選用直線性流量特性閥的場合一般為：① 差壓變化小，幾乎恒定；② 工藝系統(tǒng)主要參數(shù)的變化呈線性；③ 系統(tǒng)壓力損失大部分分配在調(diào)節(jié)閥上（改變開度，閥上差壓變化相對較小）；④ 外部干擾小，給定值變化小，可調(diào)范圍要求小的場合。
(2)  等百分比特性調(diào)節(jié)閥
等百分比流量特性也稱對數(shù)流量特性。它是指單位相對位移變化所引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系。即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)是變化的，它隨相對流量的增大而增大。
優(yōu)先選用等百分比特性閥的場合為：① 實(shí)際可調(diào)范圍大；② 開度變化，閥上差壓變化相對較大；③ 管道系統(tǒng)壓力損失大；④ 工藝系統(tǒng)負(fù)荷大幅度波動(dòng)；⑤ 調(diào)節(jié)閥經(jīng)常在小開度下運(yùn)行。
除了以上兩種常用的流量特性之外，還有拋物線特性和快開特性等其他流量特性的調(diào)節(jié)閥，理想的流量特性曲線如圖1所示。 

圖1  調(diào)節(jié)閥理想流量特性曲線

在密封結(jié)構(gòu)上，若流量特性精度要求高，則可選用高精度流量特性的金屬密封型，而軟密封型精度較低。
3  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，是最常用的一種執(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。假若物流的推動(dòng)力是由泵產(chǎn)生，就意味著必須選功率大一些的泵和電機(jī)，這樣必然帶來大的能耗。
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(huì)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，我們在分析與調(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。對此略作闡述。
圖2是一個(gè)簡單的安裝有調(diào)節(jié)閥的工藝流程圖，其中D1和D2是工藝罐，G1是泵，V1是調(diào)節(jié)閥，E1是熱交換器。這里可以將管道流體的壓力變化分解成幾個(gè)部分，即：ΔPp（泵的增壓），ΔPv（調(diào)節(jié)閥上的壓降），ΔPa（熱交換器上的壓降），ΔPt（管道上的壓降），ΔPg（流體動(dòng)勢能轉(zhuǎn)換壓降）。 

圖2  工藝流程圖 

圖3  流體系統(tǒng)流量―壓力曲線圖

圖3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：
ΔPp=ΔPfo-（1/ρ）*（F/Cp）²
其中：ΔPfo為在零流量下的泵的出口壓力增壓；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：
ΔPt=（1/ρ）*（F/Ct）²
流體在熱交換器上的壓降特性方程為：
ΔPa=（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：
ΔPv=（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。
下面就調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)中的最大壓降和最小壓降作進(jìn)一步的探討。
 

圖4  調(diào)節(jié)閥流量控制系統(tǒng)

                 
     (1) 流量和泵出口壓力                        (2) 流量和罐體入口壓力
圖5  關(guān)系特性圖
圖4為一個(gè)簡單而典型的調(diào)節(jié)閥流量控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，流量（包括最大流量和最小流量）和泵出口壓力以及罐體入口壓力的關(guān)系特性如圖5中的(1)、(2)所示。 

圖6

由圖6可以看出調(diào)節(jié)閥允許的最大壓降和最小壓降在整個(gè)系統(tǒng)壓力變化分布中的位置和關(guān)聯(lián)因素。相對而言，當(dāng)流量最大時(shí)，調(diào)節(jié)閥的壓降最小；流量最小時(shí)，調(diào)節(jié)閥的壓降最大。
另外，必須注意：為了使調(diào)節(jié)閥能夠工作在一個(gè)正常的狀態(tài)，切記不要使調(diào)節(jié)閥的最小壓差為零！
關(guān)于調(diào)節(jié)閥的壓差問題，在此針對幾種常見情況進(jìn)行進(jìn)一步的闡述。
①  在有泵驅(qū)動(dòng)下的管線系統(tǒng)中，對應(yīng)額定流量時(shí)調(diào)節(jié)閥的壓降應(yīng)該為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)壓降的30%左右或者為15PSI。
②  在離心壓縮機(jī)的吸入口或者排出口如果安裝有調(diào)節(jié)閥，則調(diào)節(jié)閥在正常工作條件下的壓降應(yīng)為抽吸時(shí)絕對壓力的5%或者為該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)壓降的50%左右。
③  對于利用工藝罐體之間靜壓差來驅(qū)動(dòng)介質(zhì)流動(dòng)的管線系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)閥在正常工作條件下的壓降應(yīng)為低斷罐體壓力的10%或者為該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)壓降的50%左右。
④  對于連接到透平的蒸汽管線上的調(diào)節(jié)閥在正常工作條件下的壓降應(yīng)為該蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)絕對壓力的10%或者為5PSI。
4  調(diào)節(jié)閥的閃蒸和氣蝕
在調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動(dòng)的液體常常出現(xiàn)閃蒸和氣蝕兩種現(xiàn)象。它們的發(fā)生不但影響口徑的選擇和計(jì)算，而且將導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲、振動(dòng)、材質(zhì)的破壞等。在這種情況下，調(diào)節(jié)閥的工作壽命會(huì)大大的縮短，對此有必要加以詳細(xì)闡述。
正常情況下，作為液體狀態(tài)的介質(zhì)，流入、流經(jīng)、流出調(diào)節(jié)閥時(shí)均保持液態(tài)。其壓力變化曲線如圖7中的(1)所示。
閃蒸作為液體狀態(tài)的介質(zhì)，流入調(diào)節(jié)閥時(shí)是液態(tài)，在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥中的縮流處時(shí)流體的壓力低于氣化壓力Pvapor，液態(tài)介質(zhì)變成氣態(tài)介質(zhì)，并且它的壓力不會(huì)再回復(fù)到氣化壓力之上，流出調(diào)節(jié)閥時(shí)介質(zhì)一直保持氣態(tài)。其壓力變化曲線如圖7(2)所示。   

       (1) 正常情況下      

        (2) 閃蒸情況下

 (3)  氣蝕情況下

圖7  液體壓力變化曲線

閃蒸就象一種噴沙現(xiàn)象，它作用在閥體和管線的下游部分，給調(diào)節(jié)閥和管道的內(nèi)表面造成嚴(yán)重的沖蝕，同時(shí)也降低了調(diào)節(jié)閥的流通能力。
氣蝕作為液體狀態(tài)的介質(zhì)，流入調(diào)節(jié)閥時(shí)是液態(tài)，在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥中的縮流處時(shí)流體的壓力低于氣化壓力，液態(tài)介質(zhì)變成氣態(tài)介質(zhì)，隨后它的壓力又回復(fù)到氣化壓力Pvapor之上，最后在流出調(diào)節(jié)閥前介質(zhì)又變成液態(tài)。其壓力變化曲線如圖7中(3)所示。
可以根據(jù)一些現(xiàn)象來初步判斷氣蝕的存在，當(dāng)氣蝕開始時(shí)它會(huì)發(fā)出一種嘶嘶聲，當(dāng)氣蝕發(fā)展到完全穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)閥中會(huì)發(fā)出嘎嘎的聲音，就象有碎石在流過調(diào)節(jié)閥時(shí)發(fā)出的聲響。氣蝕對調(diào)節(jié)閥及內(nèi)件的損害也是很大的，同時(shí)它也降低了調(diào)節(jié)閥的流通效能，就象閃蒸一樣。
因此，我們必須采取有效的措施來防止或者最大限度地減小閃蒸或氣蝕的發(fā)生：
①  盡量將調(diào)節(jié)閥安裝在系統(tǒng)的最低位置處，這樣可以相對提高調(diào)節(jié)閥入口P1和出口P2的壓力，如圖8所示。
②  在調(diào)節(jié)閥的上游或下游安裝一個(gè)截止閥或者節(jié)流孔板來改變調(diào)節(jié)閥原有的安裝壓降特性（這種方法一般對于小流量情況比較有效），如圖9所示。
 

            圖8 

圖9

③  選用專門的反氣蝕內(nèi)件也可以有效地防止閃蒸或氣蝕，它可以改變流體在調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流速變化，從而增加了內(nèi)部壓力。
④  盡量選用材質(zhì)硬性較好的調(diào)節(jié)閥，因?yàn)樵诎l(fā)生氣蝕時(shí)，對于這樣的調(diào)節(jié)閥，它有一定的抗沖
蝕性和耐磨性，可以在一定的條件下讓氣蝕存在，并且不會(huì)損壞調(diào)節(jié)閥的內(nèi)件。相反，對于軟性材質(zhì)的調(diào)節(jié)閥，由于它的抗沖蝕性和耐磨性較差，當(dāng)發(fā)生氣蝕時(shí)，調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部構(gòu)件很快就會(huì)被磨損，因而無法在有氣蝕的情況下正常工作。
總之，目前還沒有什么工程材料能夠適應(yīng)嚴(yán)重條件下的氣蝕情況，只能針對客觀情況來綜合分析，選擇一種相對比較合理的解決辦法。
5  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)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，下面通過舉例說明。
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)，可以做到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(huì)發(fā)出噪音，對于這種情況，這里不作具體闡述（氣蝕也會(huì)產(chǎn)生噪音）。
當(dāng)然，有些噪音是無法消除的，只能盡量采取防噪音保護(hù)措施，如戴耳塞等。
總之，調(diào)節(jié)閥的選型和應(yīng)用是一個(gè)專業(yè)性強(qiáng)、涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣的系統(tǒng)工作，要做好這個(gè)工作，不僅要在理論上充分了解它的各種特性，而且要結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來綜合分析判斷，做到理論和實(shí)踐科學(xué)地結(jié)合起來。