调节阀应用技术问题探讨
1、序言 随着科技进步,在生产过程自动化中,用来控制流体流量的调节阀已遍及各个行业。对于热力、化工过程控制系统,作为最终控制过程介质各项质量及安全生产指标的调节阀,它在稳定生产、优化控制、维护及检修成本控制等方面都起着举足轻重的作用。由于调节阀是通过改变节流方式来控制流量的,所以它既是一种有效的调节手段,同时又是一个会产生节流能耗的部件。以化工厂为例,随着装置高负荷运行,调节阀的腐蚀、冲刷、磨损、振动、内漏等问题不断发生,从而导致调节阀的使用寿命缩短、工作可靠性下降、进而引起工艺系统和装置的生产效率大幅度下降,严重时可以导致全线停车。这在如今视质量和效益为生命的企业管理中尤为重要和紧迫。对此,如何选择和安装好调节阀,使调节阀在一个高水平状态下运行将是一个很关键的问题。选择调节阀时,首先要收集完整的工艺流体的物理特性参数与调节阀的工作条件,主要有流体的成份、温度、密度、粘度、正常流量、最大流量、最小流量、最大流量与最小流量下的进出口压力、最大切断压差等。在对调节阀具体选型确定前,还必须充分掌握和确定调节阀本身的结构、形式、材料等方面的特点,而技术方面主要考虑流量特性、压降、闪蒸、气蚀、噪音等问题。 2、如何选择流量特性 调节阀的流量特性是指介质流过阀的相对流量与相对位移间的关系,[1]数学表达式如下: Q/Qmax=f(l/L) 式中Q/Qmax为相对流量,为调节阀在某一开度时流量Q与全开流量Qmax之比;l/L为相对位移,为调节阀在某一开度时伐芯位移l与全开位移L之比。 选择的总体原则是调节阀的流量特性应与调节对象特性及调节器特性相反,这样可使调节系统的综合特性接近于线性。选择通常在工艺系统要求下进行,但是还要考虑很多实际情况,现分别加以说明。 (1) 直线性流量调节阀 直线性流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移成直线关系即单位位移变化所引起的流量变化是常数。选用直线性流量特性阀的场合一般为:① 差压变化小,几乎恒定;② 工艺系统主要参数的变化呈线性;③ 系统压力损失大部分分配在调节阀上(改变开度,阀上差压变化相对较小);④ 外部干扰小,给定值变化小,可调范围要求小的场合。 (2) 等百分比特性调节阀 等百分比流量特性也称对数流量特性。它是指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数是变化的,它随相对流量的增大而增大。优先选用等百分比特性阀的场合为:① 实际可调范围大;② 开度变化,阀上差压变化相对较大;③ 管道系统压力损失大;④ 工艺系统负荷大幅度波动;⑤ 调节阀经常在小开度下运行。 除了以上两种常用的流量特性之外,[2]还有抛物线特性和快开特性等其他流量特性的调节阀,理想的流量特性曲线如图1所示。
图2是一个简单的安装有调节阀的工艺流程图,其中D1和D2是工艺罐,G1是泵,V1是调节阀,E1是热交换器。这里可以将管道流体的压力变化分解成几个部分,即:ΔPp(泵的增压),ΔPv(调节阀上的压降),ΔPa(热交换器上的压降),ΔPt(管道上的压降),ΔPg(流体动势能转换压降)。 图3是该流体系统的流量—压力曲线图,它表明了在不同流量下的管线压力分布平衡状态。在该系统中对应泵的压力特性方程为: ΔPp=ΔPfo-(1/ρ)*(F/Cp)2 其中:ΔPfo为在零流量下的泵的出口压力增压;ρ为液体介质的质量密度;F为液体介质的质量流量;Cp为常数。 流体在管道上的压降特性方程为: ΔPt=(1/ρ)*(F/Ct)2 流体在热交换器上的压降特性方程为: ΔPa=(1/ρ)*(F/Ca)2 流体在调节阀上的压降特性方程可以类似表达为: ΔPv=(1/ρ)*(F/Cv*)2 这里的Cv*是一个动态的流量常数,它要根据调节阀的阀杆位置的变化而变化的。 下面就调节阀在系统中的最大压降和最小压降作进一步的探讨。
总之,目前还没有什么工程材料能够适应严重条件下的气蚀情况,只能针对客观情况来综合分析,选择一种相对比较合理的解决办法。
5、调节阀的噪音分析 气蚀和噪音是调节阀在控制高压差流体中的两大公害。调节阀上的噪音更是石油化工生产中的主要污染源。在使用中除需选用低噪音结构的调节阀外,改变阀的操作条件更是消除或降低气蚀和噪音的根本方法。 调节阀在工作时,应注意它的噪音情况,分析好噪音的产生机理可以更好地监视调节阀的工作状态和有效处理所发生的问题,下面通过举例说明。 ① 机械类振动——如当阀芯在套筒内水平运动时,可以使阀芯与套筒的间隙尽量小或者使用硬质表面的套筒。 ② 固有频率振动——如阀芯或者其它的组件,它们都有一个固有振动频率,对此,可以通过专门的铸造或锻造处理来改变阀芯的特性,如有必要也可以更换其他类型的阀芯。 ③ 阀芯不稳定性——如由于阀芯振荡性位移引起流体的压力波动而产生的噪音,这种情况一般是由于调节回路执行器等的阻尼因素引起的,对此可以重新调节阻尼系数或者在阀芯位移方向上加上减振设施。 ④ 介质的力学流动性——介质在管道或者调节阀中流动时,也会发出噪音,对于这种情况,这里不作具体阐述(气蚀也会产生噪音)。 当然,有些噪音是无法消除的,只能尽量采取防噪音保护措施,如戴耳塞等。 6、结论 调节阀的选型和应用是一个专业性强、涉及的技术领域广的系统工作,要做好这个工作,不仅要在理论上充分了解它的各种特性,而且要结合实际使用经验来综合分析判断,做到理论和实践科学地结合起来。
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