浅议异径多束流调节阀的减振降噪效果

    镇海炼化股份有限公司炼油厂的制氢和重油加氢裂化生产中，原使用某厂生产的套筒调节阀一直存在严重的振动与噪音问题，具体情况是： 
    •处理量为标准状况下20k×2.0m³的制氢生产中的脱CO₂吸收塔半贫液流量控制阀，其操作条件是：介质半贫液，温度111℃，阀前压力3.0MPa，阀后压力1.3MPa,压差1.7MPa。原阀为某厂DN100的套筒调节阀；另一台DN150/dg125的套筒调节阀作为吸收塔液位控制阀。其介质为富液，温度为127℃，阀前压力为1.48MPa,阀后压力为0.14MPa，压差1.34MPa。该两阀在运行中，振动大，阀杆经常断裂，有时出现一个月内连续发生几次断裂，对生产造成很大影响。上述两阀的具体应用见图1。 
  
    图1异径多束流阀在制氢生产中应用处工艺流程图 
    •年处理量为800kt的重油加氢裂化装置，其第2分馏塔底液位控制阀（见图2），操作条件为：介质循环油，温度365℃，阀前压力0.65MPa，阀后压力为0.35MPa，压差为0.3MPa。原阀是某厂DN80的套筒调节阀。阀在运行中振动、噪音都很大，特别是阀位在33%开度以内时振动噪音尤为严重。常出现阀杆转动，造成紧固（件）螺丝松动，盘根和阀体上、下盖密封泄漏，造成对生产的影响，增加了阀的维修工作量。
   
    图2 异径多束流阀在重油加氢裂化过程应用处流程图
一、调节阀产品振动的原因
    调节阀在运行中的振动，按流体力学原理分析，它是由通过阀的湍流体诱发的^[1]。由流体诱发振动机理可知，流体流动状态在其Re>3×10⁵时为湍流。湍流体通过不良绕流体的调节阀时会形成旋涡。旋涡会随着流体的继续流动的尾流而脱落，其具有一定幅度与频率的旋涡，如图3所示。这种旋涡脱落频率的形成其影响因素十分复杂，并有很大的随机性，定量计算十分困难，而客观却存在一个主导脱落频率。当这一主导脱落频率（亦包括高次谐波）在与调节阀及其附属装置的结构频率接近或一致时，发生了共振，调节阀就产生了振动，伴随着噪音。振动的强弱随主导脱落频率的强弱和高次谐波的波动方向一致性程度而定。克服或降低由流体诱发的调节阀振动的有效途径是使流体旋涡脱落频率形不成主导脱落频率。按照这一思路，我们研制了能使由通过调节阀的流体旋涡脱落频率所形成的主导脱落频率的概率小于0.001的新型调节阀，来克服调节阀在运行中发生振动的问题。 
   
    图3 流体形成旋涡脱频率过程（波动）示意图
二、对新型调节阀的需求
    在炼油、石油化工、发电等工业生产过程中，经常见到调节阀的振动，并伴随着噪音，给生产造成危害，给工作带来麻烦。特别是一些高强度生产过程中所使用的调节阀，这一情况尤为突出。解决调节阀在运行中的振动与噪音问题一直是大家所关心的问题。各厂家也相继推出了多种减振降噪的新型调节阀产品，如Cv3000系列的HCN型低噪音笼式调节阀和Vu系列的VDN低噪音调节阀等。这些调节阀的共同特点是结构复杂、价格高，尤其是进口的低噪音调节阀，价格是国产传统调节阀价格的10倍，这是生产用户难以承受的，以致无法大量使用。但调节阀在运行中振动总是存在的，只是振动的严重程度而已。阀的振动对设备的维修、使用寿命会带来不利影响。现有的低噪音调节阀实际使用表明，它的性能指标有时还是不能充分达到，仍存在振动与噪音。广大用户所需要的是具有减振减噪显著、成本低、互换性好的高性能价格比的新型调节阀。
三、新型调节阀的研制
    实现上述形成主导脱落频率的低（小）概率，或者说克服调节阀振动的具体方法是：按流体通过不良绕流体必须形成旋涡脱落频率的客观情况，即在单束流时，该旋涡脱落频率为主导脱落频率，主导脱落频率的形成概率为1.00。而在多束流时，如n束流，则有n个旋涡脱落频率，形成主导脱落频率的概率成为1/n。若n股流束有m种不同流径，则形成主导脱落频率的概率仅为1/mn。显然，1.0>1/n>1/mn(m,n为大于0的整正数)。调节阀是不良绕流体，当流体的主导脱落频率接近或等于调节阀及装置的固有频率时，主导脱落频率与固有频率间锁定，调节阀就发生共振，并伴随噪音。其振动与噪音的强度随着受迫于主导脱落频率的流体波动的强度。应用概率论和统计学，设计研制了使其流体通过时形成主导脱落频率（亦即振动的最大）概率小于0.001的新型阀，并使阀的工作流量特性接近直线来布局流通面积分布（计算过程见中国专利962231320），称它为“异径多束流调节阀”。
    显然，具有异径多束流的调节阀在运行中发生振动的概率就比只有单束流或n束流的单座调节阀或者其他各类阀要小得多。进一步剖析现在低噪音调节阀的流道是由等径的多孔道构成，流体通过时所形成的旋涡脱落频率很多是接近或相同的，则形成主导脱落频率的概率就大为增加。自然，现有的低噪音调节阀在实际使用中其设计目标未能尽善尽美，出现振动的情况经常可见，其原因在于流道的等径。
四、结论
    镇海炼油厂于1996年5月与1997年5月，使用本新型调节阀取代了该厂催化裂化生产中的前述的三处传统调节阀，以及杭州钢铁厂自备电厂锅炉主给水于1994年9月用本新型调节阀取代原常发生振动、阀杆折断的原阀。这些新阀，自投运以来，工作一直平稳，振动消除，工作流量特性满足控制要求，控制品质提高，厂方十分满意。现新型阀—异径多束流调节阀已批量生产。

    参考资料
    1、张玉润，基于几何参数设计调节阀流通面积，仪器仪表学报，1996.4:416~420
    2、R.D.白莱文斯，流体诱发振动，机械工业出版社，1988.1:40~43

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