上海滬工閥門廠（集團(tuán)）有限公司

摘要：首先介紹了石油化工企業(yè)中調(diào)節(jié)閥的基本原理，然后詳細(xì)介紹了在選型和實際應(yīng)用中調(diào)節(jié)閥的流通能力、壓降、噪聲等技術(shù)問題，提出了一些安全、可靠、切實可行的做法，探討如何使調(diào)節(jié)閥在生產(chǎn)過程中能夠更好的工作。

關(guān)鍵詞：流通能力；流速；壓降；噪聲

隨著在石油化工企業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度日益提高，用來控制流體流量的調(diào)節(jié)閥已遍及各個行業(yè)。對于熱力、化工過程控制系統(tǒng)，作為最終控制過程介質(zhì)各項質(zhì)量及安全生產(chǎn)指標(biāo)的調(diào)節(jié)閥，它在穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化控制、維護(hù)及檢修成本控制等方面都起著舉足輕重的作用。由于調(diào)節(jié)閥是通過改變節(jié)流方式來控制流量的，所以它既是一種有效的調(diào)節(jié)手段，同時又是一個會產(chǎn)生節(jié)流能耗的部件。以天然氣處理廠為例，隨著裝置高負(fù)荷運行，調(diào)節(jié)閥的腐蝕、沖刷、磨損、振動、內(nèi)漏等問題不斷發(fā)生，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的使用壽命縮短、工作可靠性下降、進(jìn)而引起工藝系統(tǒng)和裝置的生產(chǎn)效率大幅度下降，嚴(yán)重時可以導(dǎo)致全線停車。選擇調(diào)節(jié)閥時，首先要收集完整的工藝流體的物理特性參數(shù)與調(diào)節(jié)閥的工作條件，主要有流體的成份、溫度、密度、粘度、正常流量、最大流量、最小流量、最大流量與最小流量下的進(jìn)出口壓力、最大切斷壓差等。在對調(diào)節(jié)閥具體選型確定前，還必須充分掌握和確定調(diào)節(jié)閥本身的結(jié)構(gòu)、形式、材料等方面的特點，而技術(shù)方面主要考慮流通能力、壓降、噪音等問題。

1 調(diào)節(jié)閥工作原理簡介

1.1 伯努利方程

由水力學(xué)觀點來看，調(diào)節(jié)閥是一個具有局部阻力的節(jié)流元件。當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時，由于閥芯、閥座處的流通面積縮小，形成局部阻力，并產(chǎn)生能量損失，通常用閥前后的壓差來表示能量損失的大小。根據(jù)伯努利方程式，對不可壓縮的流體：

H = K × V² ÷ 2g

也可表示為：H = (P₁ - P₂) ÷ r

式中：
H——為單位重量的流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的能量損失；
K——為阻力系數(shù)；
V——流體平均流速，（V = Q ÷ S）；
Q——流體體積流量，m³/h；
S——調(diào)節(jié)閥流通面積，m²；
g——重力加速度，981cm/s²；
r——流體重度，g/cm³；
P₁、P₂——調(diào)節(jié)閥前、后絕對壓力，kgf/cm²。

代人上述公式得出：

代入具體數(shù)值后得出：

C 稱為調(diào)節(jié)閥流通系數(shù)或流通能力。

C 值表示調(diào)節(jié)閥全開時，其兩端壓力降 △P＝1kgf/cm²，流體重度為 1g/cm² 時，每小時通過閥門的立方米數(shù)。

1.2 氣體調(diào)節(jié)閥的 C_v 值計算（要考慮壓縮系數(shù)）

當(dāng) P₂ < 0.5P₁ 時：

式中：Q——Nm³/h；r_H——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體重度，kg/Nm³；ε——氣體膨脹系數(shù)；t——介質(zhì)溫度，℃。

如 (P₁ - P₂) ÷ P₁ ≤ 0.08，ε= 1

如 (P₁ - P₂) ÷ P₁ > 0.08，ε= 1 - 0.46 × (P₁ - P₂) ÷ P₁

當(dāng) P₂ ≤ 0.5P₁ 時

1.3 調(diào)節(jié)閥的 C_v 值范圍

（1）等百分比閥門

閥門的額定 C_v 值通常是正常流量 C_v 值的 2 倍，或者最大流量 C_v 值的 1.3 倍，或者說，正常流量 C_v 值是閥門額定 C_v 值的 30%~70%。

（2）線性閥門

閥門的額定 C_v 值是正常流量 C_v 值的 1.5 倍，或者最大流量 C_v 值的 1.1 倍，或者說，正常流量 C_v 值是閥門額定腸值的 60%~80%。

2 調(diào)節(jié)閥壓降的系統(tǒng)考慮

調(diào)節(jié)閥作為過程控制系統(tǒng)中的終端部件，是最常用的一種執(zhí)行器。按過程控制系統(tǒng)的要求，調(diào)節(jié)閥應(yīng)具有在低能量消耗的狀態(tài)下工作，且能充分與系統(tǒng)匹配的工作特性。但是在調(diào)節(jié)閥的使用中這兩個要求是不能同時滿足的，甚至是互相矛盾的。在要得到同樣的流量 Q_max 的情況下，選擇一只較小口徑的調(diào)節(jié)閥，雖然其他阻力不變而總的阻力必然比較大，形成大的系統(tǒng)總壓降。

當(dāng)管道系統(tǒng)中介質(zhì)的流速增加時，流體通過管道上的各種安裝部件時產(chǎn)生的流體壓降也會發(fā)生一系列的動態(tài)變化，作為管道流體控制主要部件的調(diào)節(jié)閥所引起的流體壓降是一個很重要而又容易被忽略的因素，在分析與調(diào)節(jié)閥有關(guān)的系統(tǒng)問題時，不僅要考慮到調(diào)節(jié)閥本身的問題，而且也要考慮到調(diào)節(jié)閥的壓降對系統(tǒng)動態(tài)平衡的影響。

圖 1 流體系統(tǒng)流量 — 壓力曲線圖

圖 1 是該流體系統(tǒng)的流量—壓力曲線圖，它表明了在不同流量下的管線壓力分布平衡狀態(tài)。在該系統(tǒng)中對應(yīng)泵的壓力特性方程為：

△P_p = △Pf₀ - (1/ρ) × (F/C_p)²

這里可以將管道流體的壓力變化分解成幾個部分，即：△P_p（調(diào)節(jié)閥人口增壓），△P_v（調(diào)節(jié)閥上的壓降），△P_a（熱交換器上的壓降），△P_t（管道上的壓降），△P_g（流體動勢能轉(zhuǎn)換壓降）。其中：△Pf₀ 為在零流量下的調(diào)節(jié)閥人口壓力增壓；ρ 為液體介質(zhì)的質(zhì)量密度；F 為液體介質(zhì)的質(zhì)量流量。

C_p 為常數(shù)。流體在管道上的壓降特性方程為：

△P_t = (1/ρ) × (F/C_t)²

流體在熱交換器上的壓降特性方程為：

△P_a = (1/ρ) × (F/C_a)²

流體在調(diào)節(jié)閥上的壓降特性方程可以類似表達(dá)為：

△P_v = (1/ρ) × (F/C_v)²

這里的 C_v 是一個動態(tài)的流量常數(shù)，它要根據(jù)調(diào)節(jié)閥的閥桿位置的變化而變化的。

3 調(diào)節(jié)閥的噪音分析

氣蝕和噪音是調(diào)節(jié)閥在控制高壓差流體中的兩大公害。調(diào)節(jié)閥上的噪音更是石油化工生產(chǎn)中的主要污染源。在使用中除需選用低噪音結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥外，改變閥的操作條件更是消除或降低氣蝕和噪音的根本方法。調(diào)節(jié)閥在工作時，應(yīng)注意它的噪音情況，分析好噪音的產(chǎn)生機理可以更好地監(jiān)視調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)和有效處理所發(fā)生的問題。

（1）機械類振動——如當(dāng)閥芯在套筒內(nèi)水平運動時，可以使閥芯與套筒的間隙盡量小或者使用硬質(zhì)表面的套筒。

（2）固有頻率振動——如閥芯或者其它的組件，它們都有一個固有振動頻率，對此，可以通過專門的鑄造或鍛造處理來改變閥芯的特性，如有必要也可以更換其他類型的閥芯。

（3）閥芯不穩(wěn)定性——如由于閥芯振蕩性位移引起流體的壓力波動而產(chǎn)生的噪音，這種情況一般是由于調(diào)節(jié)回路執(zhí)行器等的阻尼因素引起的，對此可以重新調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)或者在閥芯位移方向上加上減振設(shè)施。

（4）介質(zhì)的力學(xué)流動性——介質(zhì)在管道或者調(diào)節(jié)閥中流動時，也會發(fā)出噪音，對于這種情況，這里不作具體闡述（氣蝕也會產(chǎn)生噪音）。

4 結(jié)論

調(diào)節(jié)閥的選型和應(yīng)用是一個專業(yè)性強、涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣的系統(tǒng)工作，要做好這個工作，不僅要在理論上充分了解它的各種特性，而且要結(jié)合實際使用經(jīng)驗來綜合分析判斷，這樣才能充分發(fā)揮調(diào)節(jié)閥的作用。筆者將石油化工調(diào)節(jié)閥應(yīng)用的一點經(jīng)驗總結(jié)出來，希望能給同行提供借鑒。