浅析化工装置中控制阀的选用

发布时间:2011-07-18  点击数:2731

    在化工生产和自动控制领域中,一个工艺控制过程是否能满足各项工艺控制指标、控制过程是否平稳;超调量、衰减比是否在规定的范畴之内;是否稳、快、准,除了工艺设计合理、设备先进外,重要的一点就是控制阀是否能根据工艺参数变化而准确动作。控制阀是终端控制元件,在整个控制回路中较为重要但又是长期以来技术比较薄弱的环节,因此如何选择安全、适用、可靠、经济的控制阀,满足工艺调节要求,提高控制水平,是自控设计人员、生产厂家和用户最为关注的问题。本文主要介绍控制阀的一般选型原则、步骤,并突破严酷工况下硬密封控制阀的顽症,目的是为用户提供较为适用的选型手段。

一、控制阀结构形式的选

    控制阀一般由执行机构调节阀组成。控制阀的产品类型很多,结构也多种多样,选择时应综合考虑调节功能、泄漏等级及切断压差、耐压及耐温、冲蚀、汽蚀、腐蚀、使用生命周期、维护及备件、性能价格比。建议选择顺序:单(双)座(Globe)控制阀、笼式单(双)座(Cage)控制阀、偏心旋转阀蝶阀、角阀、球阀(V.O)、三通调节阀、特殊控制阀等。详见表1。

注:“√”表示最佳选择;“○”表示可用选择;“╳”表示较差选择

    针对高压、高压差工况,控制阀阀体应选用锻钢件,控制阀应选用带多级套筒式、多级阀芯式、多级叠板式等防空化组件。

    阀门的泄露等级应根据ANSIB16。14标准进行选择,绝大多数金属密封控制阀的泄漏等级是四级(ANSICLASSIV),更严格的泄漏等级是六级(ANSICLASSVI)可采用软阀座形式。对于温度较高,不能使用软阀座的场合,可采用五级(ANSICLASSV)泄漏标准。

二、控制阀口径的选择

    根据初步的工艺条件和参数确定了控制阀的结构和类型后,一项主要的工作就是计算确定控制阀的流量系数。英制单位的流量系数Cv是指在每平方英寸1磅的压力降下,每分钟流过阀门6OF(15.6℃)水的加仑数。国际单位的流量系数Kv是指在0.1MPa压力降下,每小时流过阀门5~40℃水的立方米数。

    二者之间的关系:Cv=1.16kV

    国内生产厂计算流量系数通常采用Cv,Cv是表示控制阀容量大小、结构及流路形式对流通能力的影响等综合因素的固有参数,它与控制阀的形式及口径有直接的联系,因此控制阀口径的选定,实际上就是根据工艺条件确定控制阀阀体类型,进行流量系数的计算,使按此流量系数选定的控制阀口径,能保证工艺对象要求的流量,同时控制阀的行程又能在合适的范围。

    Cv值的计算有相应的专业计算软件,根据计算的Cv值和已确定的阀体类型,就可以从生产厂家获取相应系列的控制阀选型资料,从对应的产品标准系列中选取额定流量系数不小于并接近于此Cv的一个数值,作为最终选定的流量系数C100,与此C100相对应的控制阀口径,即为最终选择的控制阀口径。

三、执行机构的选择

    为使控制阀正常工作,所选执行机构要能产生足够的输出力来克服各种阻力,保证高度的密封和阀门的开启。执行机构类型有三种,即气动执行机构(直行程用薄膜执行机构,弹簧复位的单气缸及双气缸采用气缸执行机构);电动执行机构(包括马达驱动阀MOV);液动执行机构。可根据输出力、调节速度、线性度、滞后性、灵敏度、故障位置、尺寸与重量来选择。通常选择气动执行机构,在没有气源的场合选择电动执行机构。

    控制阀的执行机构弹簧压力范围建议综合考虑选择60~180kPa(通常20~100kPa,40~200kPa两种),弹簧硬,控制阀的稳定性好;弹簧软,输出力大。

四、阀体材质选择

    选择合适的阀体材料能延长阀门的使用寿命。选择材料一般应根据工艺介质的温度、压力、腐蚀性、冲刷、气蚀等几个方面来确定,同时还要考虑其经济性。一般工况下选择碳钢或不锈钢材料;在腐蚀场合必须选择特殊合金材料,如:Mo2nel、HastelloyB,C、Ti、双向钢等;对于严重冲刷的场合,采用阀内件硬化处理或硬度较高材料有利于延长阀门的使用寿命,如:17~4PH、Stellited
等。阀体的材质应在使用介质、耐压等级、使用温度范围、耐腐蚀等方面进行选择,其原则是不应低于工艺管道材质的要求,优先在控制阀定型产品中选取。

五、阀芯材质选择

    控制阀的阀芯一般都由316不锈钢材料制造,具体阀芯材料的选择还要考虑阀芯硬化处理;抗腐蚀性;抗冲刷性;抗磨损性;高温高压等严酷工况。

    (1)严酷工况指高压降、高流速、深冷或高温、强噪音、冲刷、气蚀、闪蒸。严酷工况会损坏控制阀,往往使其不能正常工作,如高压差对密封面产生严重的冲蚀,影响寿命;深冷或高温使阀产生严重的热胀冷缩,造成严重堵卡,影响密封。因此选择控制阀时要特别重视严酷工况使用条件下的阀门,一般采用外硬内软阀芯表面超硬化处理,解决了冲蚀、堵卡等问题,提高密封面寿命。

    (2)当流进控制阀的液体压力降到低于入口温度下液体的饱和蒸气压时,往往会发生气蚀现象。当压力为P1的流体流过控制阀经过截流孔时,流速急剧增加,同时流体静压力骤然下降,当节流孔后压力Pvc达到或低于该流体的饱和蒸气压Pv时,部分液体就会气化成为气体产生大量气泡,形成气液两相共存的现象,这种现象称为空化。当离开节流孔后压力又逐渐上升,当上升至高于阀门出口压力P2时气泡破裂并产生液体,这个过程为空化作用。若P2小于Pv则称为闪蒸。空化作用发生时,气体液化,气泡破裂释放出巨大能量,对阀内件产生严重的破坏作用,同时产生噪音或震动。气蚀、闪蒸产生的后果也是如此,对控制阀内件及管道产生很大的破坏作用,导致阀门故障。

    对于气蚀、空化、闪蒸工况,通常采用分级降压、多级减压的特殊阀内件或采用经硬化处理的阀内件来保护控制阀。

    (3)控制阀噪音主要来自液体动力学噪音和气体动力学噪音。液体学噪音是当液体流过阀时产生空化现象,气泡破裂而产生巨大噪音。噪音频率约在15~10000Hz很宽范围。气体动力学噪音包括气体和水蒸气产生的噪音。

    由于计算比较复杂繁琐,许多用户或设计单位都由制造厂负责设计计算,噪音应符合我国环保要求,详见表2。

    一般噪音上限均不能大于105dB。气体动力学噪音一般解决方法是在阀后安装消音格子板(LO~DB极度),气体通过它时使气体流速减低,但是这种高质合金钢并经过加硬处理的消音器价格十分昂贵。噪音的控制通过分级降压、多级减压的方式来实现。有效地控制介质的流速,是避免产生高噪音的主要手段。

六、控制阀的填料选择

    控制阀的填料装于上阀盖填料室内,其作用是防止因阀杆移动而阀内介质向外泄漏。最常用的填料是聚四氟乙烯填料,它具有摩擦系数小,密封性能好和耐腐蚀性能好的优点,但耐温差,寿命较短,不能用于熔融状碱金属、高温的氟化氯和含有氟元素的介质。同时柔性石墨填料也是一种新型填料,它具有密封性、自润滑性好,耐腐蚀、耐高温(-200℃~600℃)和温度变化影响较小等特点。但对阀杆摩擦力大,通常要使用定位器才能很好工作。旋转型控制阀、高温控制阀均采用柔性O型石墨填料。

七、控制阀的附件选择

    控制阀的附件主要有阀门定位器、电磁阀手轮机构、空气过滤减压器、阀位变送器和行程开关等。

    (1)阀门定位器是控制阀的主要辅助仪表,可分为气动阀门定位器和电气阀门定位器。

    阀门定位器能够提高执行机构输出力,可使阀门的供气速度快、阀的动作速度加快。在使用现场总线的场所采用数字阀门定位器,除上述功能外,带PID控制功能、现场总线诊断功能、阀门特性曲线记录功能。

    (2)电磁阀选用时主要考虑用几个位置、几个通道;电源电压、是否防爆;线圈通电后使控制阀关闭还是打开等。

    (3)根据工艺要求确定是否选择手轮机构。

    (4)空气过滤减压器是常用的辅助仪表,选择时注意它的输出压力、流量。

    (5)行程开关应优先选用接近开关(无触点)。

    (6)根据需要选择阀位变送器、空气贮罐、继动器、止回阀、自锁阀、阀位限制器等。

八、结论

    控制阀的选择是非常细致的工作,不仅要有扎实的专业理论知识,还要有丰富实践经验。控制阀的选择要在实践的过程中不断总结和创新,特别随着机电一体化技术、计算机和数字信息技术的应用,控制阀的结构功能变得更好、更全面,为选择控制阀提供了极大的方便。上述控制阀选型的原则,可作为化工装置一般工况用控制阀选择的指导。