浅议调节阀选型与设计要点

发布时间:2011-01-04  点击数:2361
    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去完成。最终控制元件可以认为是自动控制的“手脚”。在调节器(DCS)的低能量级和执行流动流体控制所需的高能级功能之间,最终控制元件完成了必要的功率放大作用。
    调节阀是最终控制元件的最广泛使用的型式。在“神华宁夏煤基烯烃项目”中也不例外,所有的调节控制回路中都是使用调节阀进行流量、液位、压力、温度控制。控制效果的好坏,调节阀工作寿命的长短,主要取决于调节阀的选型是否合理。合理的选型不但可实现优化控制、提高生产效率;还可延长调节阀的使用周期,降低维护费用及生产成本。
一、调节阀的结构及功能
    要正确使用调节阀,尤其是选择调节阀,必须首先弄清楚调节阀的结构及使用功能,做到有的放矢,方能选好所需的调节阀。
    1、调节阀的结构
    什么是调节阀?国际电工委员会IEC对调节阀做了定义:“工业过程控制系统中由动力操作的装置形成的终端元件,它包括一个阀体部件,内部有一个改变过程流体流率的组件,阀体部件又与一个或多个执行机构相连接。执行机构用来响应控制元件送来的信号。”可见,调节阀是由执行机构和阀体部件两部分组成,即:调节阀=执行机构+阀体部件。其中,执行机构是调节阀的推动装置,它按信号压力的大小产生相应的推力或转矩,使推杆或转轴产生相应的位移或转角,从而带动调节阀的阀芯动作;阀体部件是调节阀的调节部份,它直接与介质接触,通过执行机构推杆的位移或转轴的转角,改变调节阀的节流面积,达到调
节的目的。
    调节阀按其能源方式不同主要分为气动调节阀电动调节阀、液动调节阀三大类。它们的差别在于所配的执行机构上。气动调节阀配的是气动执行机构,电动调节阀配的是电动执行机构,液动调节阀配的是液动执行机构。
    2、调节阀的功能
    调节阀的主要功能有:调节功能、克服压差功能、耐温功能、耐压功能、切断功能、耐蚀功能等。
    (1) 调节功能
    顾名思义,调节阀的首要功能就是调节,其主要表现在五个方面:
    ① 流量特性
    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。
    ② 可调范围R
    可调范围反映调节阀可控制的流量范围,用R=Qmax:Qmin之比表示。R越大,调节流量的范围越宽,性能指标就越好。通常阀的R=30。
    ③ 小开度工作性能
    有些阀受到结构的限制,小开度工作性能差,产生启跳、振荡,R变得很小(即Qmin很大),如双座调节阀、衬胶蝶阀。好的阀小开度应有微调功能,既可满足很小流量的调节,且工作又要求十分平衡,这类阀如V型球阀偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀。
    ④ 流量系数Kv
    流量系数表示通过流量的能力,同口径Kv值越大越好。
    ⑤ 调节速度
    满足系统对阀动作的速度要求。
    (2) 克服压差功能
    它通常用阀关闭时的允许压差来表示,允许压差越大,此功能也就越好。如果考虑不周到,阀芯就会被压差顶开,造成阀关不到位,泄漏量超标。因此,保证阀切断就必须克服阀关闭时的工作压差。
    (3) 耐温功能
    满足不同温度条件下阀的强度和性能,温度的较大变化会使阀体材质的强度降低,因此阀必须满足介质的温度变化范围的要求,使阀在工作温度下有较好的强度和安全保证。
    (4) 耐压功能
    它反映阀的强度和安全指标,即介质不能通过密封处和阀体缺陷处向外渗漏。出厂时通常用1。5倍公称压力作试验来检验。对高压介质最好是采用锻件结构;铸铁阀的耐压强度是最低的,通常选用铸钢阀。
    (5) 切断功能
    切断由阀的泄漏量指标来表示,切断通常指泄漏量小于0。001%,它反映阀的内在的质量。
    (6) 耐蚀功能
    抵抗介质的腐蚀和冲蚀,以提高阀的使用寿命。阀的腐蚀是由介质的化学性能引起的材质腐蚀问题,通常选用耐腐蚀的材料来解决;冲蚀是由高速流动的介质、含颗粒的介质和产生闪蒸被空化的介质所致。解决的途径是选用耐磨的材料,结构上采用反汽蚀、反冲蚀的措施,对高压调节阀、大压差工作的调节阀、含颗粒介质使用的调节阀需重点考虑此问题。
二、调节阀选型设计要点
    首先根据工艺流程的调节需求,选择调节阀类型。其二根据工艺参数计算阀的Kv值,然后根据计算出的Kv值与阀门系列具有的额定Kv值比较,从而决定阀门的额定Kv值与口径,然后还应进行相关验算,进一步验证所选阀门是否能满足工作要求。其三是根据工艺条件选择阀体、阀盖、阀内件及填充材料。其四是根据工艺参数选择执行机构及附件。
    1、调节阀类型选择
    阀的类型有:GLOBE调节阀、蝶形调节阀、旋转偏心调节阀、球形调节阀等;按执行机构的类型有:气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀。在“神华宁夏煤基烯烃项目”中选择的是气动调节阀加HART智能定位器
    2、调节阀的Kv值计算
    (1)口径计算原理
    在流程工业中,每个工位的调节阀流量、介质、压力、温度等参数千差万别,而调节阀的流量系数又是在100kPa压差下,介质为常温水时测试的,怎样结合实际工作情况决定阀的口径呢?显然,不能以实际流量与阀流量系数比较(因为压差、介质等条件不同),而必须进行Kv值计算。把各种实际参数代入相应的Kv值计算公式中,算出kv值,即把在不同的工作条件下所需要的流量转化为该条件下所需要的Kv值,于是根据计算出的kv值与阀门具有的额定kv值比较,从而决定阀门的额定kv值与口径,最后还应进行有关验算,进一步验证所选阀是否能满足工作要求。
    (2) 口径计算及验算步骤
    工艺提供的工艺数据表已经确认了计算口径所需的最大工作流量、正常工作流量和最小工作流量;入口压力、压差、入口温度等参数,按以下步骤进行计算:
    ① Kv值计算。由专门的计算软件进行计算,把工艺数据表确认的流量、入口压力、压差、入口温度及其它有关参数输入计算机,就可计算出最大工作流量时的Kvmax;
    ② 初步决定调节阀口径,根据已计算的Kvmax,在所选用的产品型式系列中,选取大于vmax并与其接近的一档Kv值,得出口径;
    ③ 开度验算;
    ④ 实际可调比验算,一般要求实际可调比应大于10;
    ⑤ 压差校核(仅从开度、可调比上验算还不行,这样可能造成阀关不死,启不动,故增加此项);
    ⑥ 上述验算合格,所选阀口径合格。若不合格,需重定口径(及Kv值),或另选其它阀,再验算至合格。
    3、阀体、阀盖、阀内件及填料的选择
    (1) 阀体材料选择
    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,在《石油化工自动控制设计手册》和《石油化工自动化仪表选型设计规范》中对于各种介质工况下,适合用什么样的材料已列出了表格,在设计时可对照查阅;如果有管道等级和管道材料等级表,也可从管道材料等级表中查找。温度是影响材料性能的又一关键因素;设计温度在-10~400℃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304(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。
    (2)阀内件材料选择
    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。
    (3) 上阀盖选择
    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。
    (4) 填料选择
    填料选择主要考虑温度条件:设计温度范围在-25~200℃选用PTFE(聚四氟乙烯)V型填料;设计温度范围在-25~400℃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。
    4、执行机构及附件选择
    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。
三、结论
    通过“神华宁夏煤基烯烃项目”对调节阀的全程选型设计;从实践中体会到了调节阀在现代化工流程中的重要性。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。

    参考资料
    费希尔调节阀手册。
    明赐东编.调节阀计算选型使用
    陆德民等.石油化工自动控制设计手册(第三版)[M].北京:化学工业出版社,2000。
    黄步余等.石油化工自动化仪表选型设计规范[M].北京:化学工业出版社,2000。
    林秋鸿等译.美国仪表学会调节阀手册(第二版)[M].北京:化学工业出版社,1985。