阻塞流工况下控制阀的计算与选型.pdf

第 4 9 卷第 2期 2 0 1 3 年 4月 石油化工自动化 AUTOMAT1 0N I N P ETR CHEMI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 4 9 ，No ． 2 Ap r i l ，2 0 1 3 阻塞流工况下控制阀的计算与选型 苏菲 中石化上海工程有限公司， 上海 2 0 0 1 2 0 摘要 为了能在阻塞流工况下， 对控制阀进行精确计算， 着重讨论阻塞流工况的判别步骤， 以及此工况下， 计算阀门 c 值时压 差 A p的取值 问题 ； 据此判断阀门是发生闪蒸工况 还是气蚀工况 及相应工况下 的处理措施 ， 有 利于控制 阀的正确 选型 ， 供工 程 设计 人员参考 。 关键词 阻塞流闪蒸气蚀压差 中图分类号 T H1 3 5 ． 5 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 3 0 2 0 0 2 0 0 3 Ca l c ul a t i o n a n d S e l e c t i o n o f Co n t r o l Va l v e i n Ch o c ke d Fl o w Ope r a t i n g Co n di t i o n S u Fe i S i n o p e c S h a n g h a i E n g i n e e r i n g Co ．Lt d ． ，S h a n g h a i ，2 0 0 1 2 0 ，C h i n a A b s t r a c t To c a l c u l a t e c o n t r o l v a l v e a c c u r a t e l y i n c h o c k e d f l o w o p e r a t i n g c o n d i t i o n ， t h e j u d g i n g s t e p a n d d e t e r mi n a t i o n o f d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e v a l u e f o r c o n t r o l v a l v e Cv c a l c u l a t i o n a r e e mp h a s i z e d ．I t c a n b e u s e d t o c o n f i r m wh e t h e r t h e v a l v e i s o c c u r r i n g f l a s h i n g o r c a v i t a t i o n，a n d t o t a k e a p p r o p r i a t e a c t i o n ．I t i s u s e f u l f o r p r o p e r v a l v e s e l e c t i o n，a n d c a n b e u s e d a s r e f e r e n c e f o r e n g i n e e r i n g d e s i g n e r s ． Ke y wo r d s c h o c k e d f l o w； f l a s h i n g； c a v i t a t i o n； d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e 在进行控制阀流量计算时， 定义 为控制 阀流 量系数， 它与阀门结构、 阀前后压差、 人 口流体密度 和流体特性有关， 为无量纲。具体计算中， q q N、 二 Nv ／ p ／ p l一 ， 其 中 q是经过 控制阀的流量； l0 1 是控制阀阀前流体密度； N是工 程单位系数 ， 也是无量纲 ； A p是控制 阀前 后压差 。 不难看 出， A p越 大， C v 值越小 。但 是对 于发生 了 阻塞流工况下 的控制阀的计算 ， 以上常规的计算压 差 A p p 一 z的方式并不适用 ， 会导致 阀门计算 错误 ， 并使阀门选型过小 。笔者通过实例介绍阻塞 流工况的判别步骤及其工况下计算压差的确定 ， 有 利于正确的阀门选型。 在某石化改造项 目中， 有 1台阀门是 2 O世纪 8 O 年代设计选型的， 根据当时的工艺数据， 流量 q 一1 8 0 0 0 k g ／ h ， 阀前压力 P 1 3 ． 3 MP a A ， 阀 后压力 P 2 0 ． 8 6 MP a A ， 压差 A p一2 ． 4 4 MP a ， 结合温度与密度等参数， 计算 值， 最后选择了 1台 一1 7 ， 口径为 5 ． 0 8 c m 2 i n 的控制 阀。然 而这台阀门在实际应用 中一直偏小， 业主反应 ， 即 使平时阀门全开， 但使用中还是偏小， 迫切希望该 次改造中对阀门进行重新计算并重新选型。深入 研究后 ， 发现 由于阀后压力 P z 很小 ， 实际已经发生 了阻塞 流 闪蒸 的工况 ， 此 时进行 值计算 时 ， A p 2 ． 4 4 MP a ， 应该代入发生阻塞流时对 应的临 界压降 A p 。而 A p ， A p 发 生阻塞流 后 ， 就要考虑 闪蒸和气蚀两种工况 。这时， 再根据 P z 和 P 的大小来 进行 判 断。因此 ， 在首 先判 断 A p A p 的情况下 若 P z P ， 首先静 缩流处的压力 P 低于 P ， 发生 闪蒸 ， 部分液体会 发生相变， 液体会蒸发为气体， 在液相中产生气泡， 接下来下游压力恢复 ， 逐渐增加 ， 到阀出口压力 P 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 石油化工 自动化 第 4 9卷 又大于流体的 P ， 则之前形成的气泡又溃裂恢复 为液相 ， 这种气泡产 生又破裂 的全 过程称为气蚀 c a v i t a t i o n 。压力变化 曲线如图 1 所示 。 和蒸汽压 “ c 静缩流处 图 1 闪蒸和气蚀工况阀门前后压力变化示意 在可能发生阻塞流的工况下 的阀门计算 ， 工艺 必须提供 P ， P 。 等流体 的物性参数 ， 便于仪表设计 人员进行 A p 的计算， 从而判断 A p和 A p 的大 小 ， 确认是否发生阻塞流。若发生阻塞流， 进而再 比较 P z 和 P 的大小 ， 确认 到底是发生 闪蒸工况还 是气蚀工况 。 针对上述实例 ， 由上述 的判别步骤得知 ， 该 阀 门已经 发生 阻塞 流的工 况。再 根据 工艺所 提 的 P 2 0 ． 8 6 MP a A P 2 ． 8 1 MP a A ， 可 以看 出 ， 此 阀门已发生了闪蒸工况 ， 这是 1台闪蒸 阀。 3 ． 1 闪蒸工况 闪蒸工况在某些工艺要求中可能无法避免， 但 是对于控制阀来讲， 闪蒸会对阀门的阀芯产生严重 的冲刷破坏， 其特点是受冲刷表面有平滑抛光的外 形。冲刷最严重的地方， 一般是在流速最大处， 通常 位于阀芯和阀座环 的接触线上或附近。因此， 对于 会发生闪蒸工况的阀门来讲， 因为闪蒸无法避免， 所 以最好的办法是采用合适的几何形状和材料的阀门 来尽可能减小破坏。选型时应注意以下几个方面 1 选择合适 的控制阀类型和流 向。不同的控 制阀和流向， 其压力恢复系数不同， 选用 F I ． 大的阀 门类型和流 向， 可以防止发生阻塞流。例如 对易 于汽化的液体 ， 不宜选用 高压力恢 复的球阀或蝶 阀， 可以选用低压力恢复的单座阀。 2 提高材质硬度。通常来说 ， 材料越硬， 抗 冲 刷越久。 3 降低冲刷性流体的速度。设计合理的流 路， 降低下游流体的流速， 从而降低冲刷速度。例 如控制 阀下游设置扩径管等。 3 ． 2 气蚀工况 气蚀工况应该尽量避免。气蚀时阀门内部发 生了液变气， 气再变液的过程， 而当气体变回液体 时， 由于气泡破裂会释放大量的能量 ， 噪声 、 振动和 冲蚀也 同时产生， 该情 况下 阀门的寿命 会大 幅缩 短。典型工况如锅炉给水泵的旁路阀。 由上述分析可知 ， 气蚀是 由于静缩流处 P 小 于 P ， 而阀后 z大于 P 所导致 的。因此 ， 消除和 降低气蚀发生的措施如下 1 控制压降， 避免气蚀发生从而防止破坏。例 如 采用多级降压的方式 ， 使控制 阀的压降分为几 级 ， 而每级的压降都确保不使 紧缩流处 的 P 小于 P ， 从而消除气泡的产生， 也就不会产生气蚀 了。 2 若气蚀无法消除， 那么尽可能减少或隔离其 破坏， 采用与闪蒸解决方案类似的方法 ， 例如提高材 质硬度， 降低流速等， 把气蚀造成的影响降到最小 。 3 采用合理的工艺系统， 合理地分配工艺管 路压力， 增大 P z ， 使紧缩流处 P 也增大。若 P 增 大到 P 以上 ， 就避免了阻塞 流的发生 ， 也避免了气 蚀 的发生 。例如 ， 将控制阀安装在下游有较高静压 的位置 ， 增设限流孔板等。 4 结束语 在工程设计中， 设计人员在进行液体控制 阀阀 门 C v 值计算时 ， 要特别注意 A p的取值 。如果 P 减小到发生了阻塞流工况， A p的取值就不等于阀 门前后压 差， 而应该 等 于发 生 阻塞流 时 的 A p ⋯ 选择正确的 A p， 可 以有效地避免 C v 计算过小 ， 导 致阀门选型过小的问题 。同时， 一旦判断出发生了 阻塞流工况 ， 还可以进一步判断是发生闪蒸 工况 ， 还是气蚀工况 ， 从 而采用正确 的处理措 施 ， 选择正 确的阀门类型 ， 延长阀门的使用寿命 。 参 考文献 [ 1] 何衍庆 ， 邱宣振 ， 杨洁 ， 等． 控 制阀工 程设计 与应 用[ M] ． 北 京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 何衍庆， 黎冰， 黄海艳． 工业生产过程控制[ M] ． 2版． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 吴勤勤． 控制仪表及装置[ M] ． 3 版． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 王森， 纪纲． 仪表常用数据手册[ M] ． 2 版． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [5 ] 邱宣振 ， 缪 煜新． 控制阀 调节 阀 计 算， 选用 ， 工程参数参 考 表 [ M] ／ ／ I程 自动化设计应用手册． 北京 国际教科文 出版 社 ， 2 0 0 4 4 5 7 4 7 0 ． [ 6 ] 陆德民， 张振基， 黄步余． 石油化工自动控制设计手册[ M] ． 3 版． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 7 ] 中国寰球化学工程公司， 中国五环化学工程公司． H G ／ T 2 0 5 0 7 --2 0 0 0自动化仪表选型规定E s ] ． 全国化工工程建设 标准编辑中心， 2 0 0 0 ． [ 8 ] 中国石化集团公司自控设计技术中心站． S HB - Z 0 2 --1 9 9 5 仪表符号和标志[ s ] ． 中国石化集团公司工程建设标准发行 站 ， 1 9 9 5 ． [ 9 ] 全国化工自 控设计技术中心站． H G ／ T 2 0 5 0 5 2 0 0 0过程检 测和控制系统用文字代号和图形符[ s ] ． 全国化工工程建设 标 准编辑 中心 ， 2 0 0 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m