阻塞流工況下控制閥的計(jì)算與選型

　　為了能在阻塞流工況下，對控制閥進(jìn)行精確計(jì)算，著重討論阻塞流工況的判別步驟，以及此工況下，計(jì)算閥門CV值時(shí)壓差Δp的取值問題;以此判斷閥門是發(fā)生閃蒸工況還是氣蝕工況及相應(yīng)工況下的處理措施，有利于控制閥的正確選型，供工程設(shè)計(jì)人員參考。

在進(jìn)行控制閥流量計(jì)算時(shí)，定義Cv為控制閥流量系數(shù)，它與閥門結(jié)構(gòu)、閥前后壓差、入口流體密度和流體特性有關(guān)，為無量綱。具體計(jì)算中，Cv= ，其中：q是經(jīng)過控制閥的流量;ρ1是控制閥閥前流體密度;N是工程單位系數(shù)，也是無量綱;Δp是控制閥前后壓差。不難看出，Δp越大，Cv值越小。但是對于發(fā)生了阻塞流工況下的控制閥的計(jì)算，以上常規(guī)的計(jì)算壓差Δp=p1-p2的方式并不適用，會(huì)導(dǎo)致閥門計(jì)算錯(cuò)誤，并使閥門選型過小。筆者通過實(shí)例介紹阻塞流工況的判別步驟及其工況下計(jì)算壓差的確定，有利于正確的閥門選型。

　　在某石化改造項(xiàng)目中，有1臺(tái)閥門是20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)選型的，根據(jù)當(dāng)時(shí)的工藝數(shù)據(jù)，流量qm=18000kg/h，閥前壓力p1=3.3MPa(A)，閥后壓力p2=0.86MPa(A)，壓差Δp=2.44MPa，結(jié)合溫度與密度等參數(shù)，計(jì)算Cv值，最后選擇了1臺(tái)Cv=17，口徑為5.08cm(2in)的控制閥。然而這臺(tái)閥門在實(shí)際應(yīng)用中一直偏小，業(yè)主反應(yīng)，即使平時(shí)閥門全開，但使用中還是偏小，迫切希望該次改造中對閥門進(jìn)行重新計(jì)算并重新選型。深入研究后，發(fā)現(xiàn)由于閥后壓力p2很小，實(shí)際已經(jīng)發(fā)生了阻塞流(閃蒸)的工況，此時(shí)進(jìn)行Cv值計(jì)算時(shí)，Δp≠2.44MPa，應(yīng)該代入發(fā)生阻塞流時(shí)對應(yīng)的臨界壓降Δpcr。而Δpcr

　　由此可知，通常情況下Δp=p1-p2，即控制閥閥前壓力與閥后壓力之差，如果閥前壓力p1恒定，則Δp隨著閥后壓力p2的變化而變化，p2越小，則Δp越大。如果p2降低到一定的值，經(jīng)過控制閥的流體發(fā)生了阻塞流的情況，Δp的取值則不再等于p1-p2，需要重新考慮。 筆者著重討論阻塞流工況下，閥門Cv值計(jì)算時(shí)Δp的取值問題，進(jìn)一步再判斷閥門是閃蒸工況還是氣蝕工況以及相應(yīng)工況下的處理措施。

1、阻塞流的判斷

　　對于不可壓縮的流體，控制閥閥前壓力p1保持一定時(shí)，逐步降低閥后壓力p2時(shí)，流過控制閥的流量會(huì)逐漸增加，但當(dāng)閥后壓力p2降低到某一數(shù)值后，流過控制閥的流量到達(dá)一個(gè)最大極限值qmax，這時(shí)再降低p2也不能使通過控制閥的流量再增加了，該最大極限值就是阻塞流(chockedFLow)。因此，p2越小，導(dǎo)致實(shí)際控制閥兩端的壓降大于阻塞流對應(yīng)的臨界壓降Δpcr時(shí)，會(huì)發(fā)生阻塞流，即Δp>Δpcr時(shí)，閥門Cv值的計(jì)算就不能采用工藝給的壓降Δp來計(jì)算，而應(yīng)該采用阻塞流對應(yīng)的臨界壓降Δpcr。 因此，對于可能發(fā)生阻塞流工況的閥門，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算時(shí)需要特別注意，首先要確認(rèn)是否確實(shí)發(fā)生阻塞流，從而選擇正確的Δp取值。

　　對于不可壓縮流體，當(dāng)流體節(jié)流時(shí)，流速增大，壓力降低，最大流速處具有最小壓力。但是，當(dāng)節(jié)流后，流束的截面積并沒有立即擴(kuò)大，而是繼續(xù)縮小，因而最大流速并不在節(jié)流處，而是在節(jié)流處下游某處，該處稱為靜縮流處，該處壓力最小，稱為pvc。之后，隨著流束截面的擴(kuò)大，壓力增高，流速降低，但最終的出口壓力不可能再恢復(fù)到入口壓力p1，而為p2，即流過控制閥后壓力得到恢復(fù)，但也存在不可恢復(fù)的壓力損失。

　　不可壓縮流體發(fā)生阻塞流的原因是由于流體經(jīng)過控制閥后，經(jīng)過節(jié)流，壓力會(huì)逐漸減小，當(dāng)壓力減小到小于流體的飽和蒸汽壓pv，使部分液體汽化，此后即使壓力再減小，流量也不再增加了，這樣就發(fā)生了阻塞流。對于不可壓縮的流體，發(fā)生阻塞流的條件是下式成立：

(1)

　　式中：pvcr———發(fā)生阻塞流時(shí)，其靜縮流處最大流速對應(yīng)的最小壓力pvc，此時(shí)的pvc用pvcr表示;FL———壓力恢復(fù)系數(shù)。Δp由工藝提出，顯而易見，重點(diǎn)是如何計(jì)算Δpcr的大小。

2、Δpcr的計(jì)算

　　發(fā)生阻塞流時(shí)，對應(yīng)的臨界壓降Δpcr=F2L(p1-pvcr)，以下就pvcr和FL分別進(jìn)行討論。

　　2.1、pvcr的計(jì)算

　　當(dāng)發(fā)生阻塞流時(shí)，其靜縮流處最大流速對應(yīng)的最小壓力pvc用pvcr表示。pvcr與液體的介質(zhì)物理特性有關(guān)：

(2)

　　式中：pv———液體的飽和蒸汽壓;FF———液體的臨界壓力比系數(shù)，是液體在入口溫度下液體的pv和液體的臨界壓力pc之比的函數(shù)：

(3)

　　由式(3)可知，F(xiàn)F只和液體的物理性質(zhì)有關(guān)，和閥門的其他參數(shù)無關(guān)。進(jìn)而可知，pvcr也只和液體的pv和pc有關(guān)，和其他參數(shù)無關(guān)。流過控制閥的液體一旦確定，pvcr的值也就確定了。

　　2.2、FL的計(jì)算

　　FL是用來表示控制閥內(nèi)部流體流經(jīng)縮流處后，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓的恢復(fù)能力。

(4)

　　FL是與閥門和流路特性有關(guān)的函數(shù)。 例如：IEC推薦計(jì)算Cv值時(shí)，直通單座柱塞閥在流開流向時(shí)，取FL=0.9，流關(guān)流向時(shí)，取FL=0.8;偏心旋轉(zhuǎn)閥在任意流向時(shí)，取FL=0.85。FL越小，表示該控制閥流路設(shè)計(jì)越好，其壓力恢復(fù)系數(shù)越好，即經(jīng)縮流后，靜壓能夠恢復(fù)到接近入口壓力。例如：蝶閥的FL在0.5～0.68，為高壓力恢復(fù)閥;直通閥FL在0.8～0.9，為低壓力恢復(fù)閥。通常，工藝提出的Δp越大，即p1和p2差值越大，則選用低壓力恢復(fù)閥比較合適。比較工藝所提壓降Δp和阻塞流下對應(yīng)的Δpcr的大小，對于不可壓縮的液體，發(fā)生阻塞流的條件是：

(5)

　　由式(5)得出：當(dāng)Δp≥Δpcr=F2L(p1-FFpv)時(shí)，Cv計(jì)算公式中的Δp用Δpcr代入計(jì)算，得到正確的Cv值。

　　針對上述實(shí)例，筆者重新計(jì)算了這臺(tái)閥門的Cv值。首先，需要判斷此臺(tái)閥門是否發(fā)生了阻塞流工況。阻塞流下對應(yīng)的Δpcr=F2L((p1-FFpv)，其中根據(jù)IEC的推薦取FL=0.9，pv=2.81MPa(A)，pc=4.62MPa(A)，計(jì)算后可得Δpcr=0.985MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工藝所提的Δp=2.44MPa，據(jù)此可判斷，此臺(tái)閥門已經(jīng)發(fā)生了阻塞流工況。因此，再計(jì)算Cv值得10.3，而不是之前所計(jì)算的4.962，最終選擇了Cv=44，口徑為10.16cm(4in)的控制閥。

3、閃蒸和氣蝕工況

　　對于閥門來說，一旦Δp>Δpcr，發(fā)生阻塞流后，就要考慮閃蒸和氣蝕兩種工況。這時(shí)，再根據(jù)p2和pv的大小來進(jìn)行判斷。 因此，在首先判斷Δp>Δpcr的情況下：若p2pv，首先靜縮流處的壓力pvc低于pv，發(fā)生閃蒸，部分液體會(huì)發(fā)生相變，液體會(huì)蒸發(fā)為氣體，在液相中產(chǎn)生氣泡，接下來下游壓力恢復(fù)，逐漸增加，到閥出口壓力p2又大于流體的pv，則之前形成的氣泡又潰裂恢復(fù)為液相，這種氣泡產(chǎn)生又破裂的全過程稱為氣蝕 (cavitation)。壓力變化曲線如圖1所示。

圖1 閃蒸和氣蝕工況閥門前后壓力變化示意

　　在可能發(fā)生阻塞流的工況下的閥門計(jì)算，工藝必須提供pv，pc等流體的物性參數(shù)，便于儀表設(shè)計(jì)人員進(jìn)行Δpcr的計(jì)算，從而判斷Δp和Δpcr的大小，確認(rèn)是否發(fā)生阻塞流。若發(fā)生阻塞流，進(jìn)而再比較p2和pv的大小，確認(rèn)到底是發(fā)生閃蒸工況還是氣蝕工況。

　　針對上述實(shí)例，由上述的判別步驟得知，該閥門已經(jīng)發(fā)生阻塞流的工況。再根據(jù)工藝所提的p2=0.86 MPa(A)

　　3.1、閃蒸工況

　　閃蒸工況在某些工藝要求中可能無法避免，但是對于控制閥來講，閃蒸會(huì)對閥門的閥芯產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，其特點(diǎn)是受沖刷表面有平滑拋光的外形。沖刷最嚴(yán)重的地方，一般是在流速最大處，通常位于閥芯和閥座環(huán)的接觸線上或附近。因此，對于會(huì)發(fā)生閃蒸工況的閥門來講，因?yàn)殚W蒸無法避免，所以最好的辦法是采用合適的幾何形狀和材料的閥門來盡可能減小破壞。選型時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

　　1)選擇合適的控制閥類型和流向。不同的控制閥和流向，其壓力恢復(fù)系數(shù)不同，選用FL大的閥門類型和流向，可以防止發(fā)生阻塞流。例如：對易于汽化的液體，不宜選用高壓力恢復(fù)的球閥或蝶閥，可以選用低壓力恢復(fù)的單座閥。

　　2)提高材質(zhì)硬度。通常來說，材料越硬，抗沖刷越久。

　　3)降低沖刷性流體的速度。設(shè)計(jì)合理的流路，降低下游流體的流速，從而降低沖刷速度。例如控制閥下游設(shè)置擴(kuò)徑管等。

　　3.2、氣蝕工況

　　氣蝕工況應(yīng)該盡量避免。氣蝕時(shí)閥門內(nèi)部發(fā)生了液變氣，氣再變液的過程，而當(dāng)氣體變回液體時(shí)，由于氣泡破裂會(huì)釋放大量的能量，噪聲、振動(dòng)和沖蝕也同時(shí)產(chǎn)生，該情況下閥門的壽命會(huì)大幅縮短。典型工況如鍋爐給水泵的旁路閥。

　　由上述分析可知，氣蝕是由于靜縮流處pvc小于pv，而閥后p2大于pv所導(dǎo)致的。因此，消除和降低氣蝕發(fā)生的措施如下：

　　1)控制壓降，避免氣蝕發(fā)生從而防止破壞。例如：采用多級降壓的方式，使控制閥的壓降分為幾級，而每級的壓降都確保不使緊縮流處的pvc小于pv，從而消除氣泡的產(chǎn)生，也就不會(huì)產(chǎn)生氣蝕了。

　　2)若氣蝕無法消除，那么盡可能減少或隔離其破壞，采用與閃蒸解決方案類似的方法，例如提高材質(zhì)硬度，降低流速等，把氣蝕造成的影響降到最小。

　　3)采用合理的工藝系統(tǒng)，合理地分配工藝管路壓力，增大p2，使緊縮流處pvc也增大。若pvc增大到pv以上，就避免了阻塞流的發(fā)生，也避免了氣蝕的發(fā)生。例如，將控制閥安裝在下游有較高靜壓的位置，增設(shè)限流孔板等。

4、結(jié)束語

　　在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行液體控制閥閥門Cv值計(jì)算時(shí)，要特別注意Δp的取值。如果p2減小到發(fā)生了阻塞流工況，Δp的取值就不等于閥門前后壓差，而應(yīng)該等于發(fā)生阻塞流時(shí)的Δpcr。選擇正確的Δp，可以有效地避免Cv計(jì)算過小，導(dǎo)致閥門選型過小的問題。同時(shí)，一旦判斷出發(fā)生了阻塞流工況，還可以進(jìn)一步判斷是發(fā)生閃蒸工況，還是氣蝕工況，從而采用正確的處理措施，選擇正確的閥門類型，延長閥門的使用壽命。