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关于控制阀流量特性分析及闪蒸、汽蚀预防探讨

    调节阀调节阀是专门设计成的机械器件用以直流、启动、停止、混合或调解工艺流体的流量、压力或温度。阀门领域也由简单的水龙头发展到了具备信息处理功能的控制阀。控制阀的发展与工业生产过程的发展密切相关,随着工业革命的深入,人们也越来越重视流量的控制。我国控制阀工业生产的起步较晚,80年代后引进了国外著名控制阀厂商的技术和产品,我国的控制阀工业才开始飞速发展。

    1 控制阀概述

    控制阀主要由阀体组合件和执行机构组合件两大部分组成。执行机构有不同的类型。按所使用能源可分为:气动、电动、液动三类。按执行机构输出的移动方向,执行机构分为正作用和反作用执行机构。按执行机构输出位移的类型,执行机构分为直行程、角行程两大类。阀体组合件主要包括阀体、阀盖和填料、阀芯、阀杆、阀座以及阀笼。

    除了执行结构和阀体外,控制阀还可添加一些附件来配合控制阀的动作,例如阀门定位器手轮机构、信号转换装置等,这些附件使控制阀的功能更完善,使用更方便,应用更灵活,性能更优越。

    控制阀安装在管道里常用的三种方法是旋入式管螺纹、螺栓紧固带垫片法兰和焊接连接端。旋入式管螺纹常用于小型控制阀,具有比法兰连接端更好的经济性,通常指的螺纹是阀体上的锥管阴螺纹NPT(美国国家管道螺纹)。螺栓紧固带垫片法兰连接形式容易从管道上拆下,适合用于大多数控制阀为之而制造的工作压力范围。法兰连接端可以用于从0℃至约815℃的温度范围。它们可用于所有口径的控制阀。最常见的法兰连接端包括平面,凸面和环型合面法兰连接端。焊接连接端在所有压力和温度下都是严密防泄漏的,而且初始成本低廉。采用焊接端的阀门从管线上拆卸比较困难,并且明显地局限于可焊接的材质。焊接端有两种形式:套焊和对焊。

    2 控制阀流量特性

    控制阀流量特性是流体流过控制阀的相对量与相对行程之间的函数关系,表示为:

    式中Q为行程在时的流量;Qmax是阀的最大流量;L是某开度时的行程;Lmax是最大流量时的行程。因此表示相对流量,表示相对行程,均无量纲。

    根据控制阀两端的压降,控制阀流量特性分为固有流量特性和工作流量特性。固有流量特性是指控制阀两端压降恒定时流量特性,亦成为理性流量特性,常见的控制阀固有流量特性可分为线性、等百分比和快开三种情况。工作流量特性顾名思义则是指在实际工作状态下(压降变化)的流量特性。以下重点剖析三种常见的固有流量特性:

    2.1 线性流量特性

    线性流量特性控制阀的相对流量与相对行程之间的函数关系可以用下式描述:

    dq=Kv2dl

    两边积分,并代入边界条件:

    L=0时,Q=Qmin;L=Lmax时,Q=Qmax

    如果定义控制阀的固有可调比:

    代入积分常数后,线性流量特性表示为:

    上式表明,线性流量特性控制阀的相对流量与相对行程之间成线性关系,直线的斜率是,截距是 。因此,线性流量特性控制阀的增益Kv2(即直线方程的斜率)与可调比R有关,与最大流量Qmax和流过控制阀的流量Q无关。Kv2是常数,即增益:

    2.2 等百分比流量特性

    等百分比流量特性控制阀的相对流量与相对行程之间的函数关系可以用下式描述:

    dq=Kv2qdl

    两边积分,并代入边界条件,可得等百分比流量特性的函数关系是:

    L=0时,Q=Qmin;L=Lmax时,Q=Qmax

    可得等百分比流量特性的函数关系是:

    上式表明,等百分比流量特性控制阀的相对行程与相对流量的对数成比例关系,即在半对数坐标上,流量特性曲线呈直线,或在直角坐标系上流量特征曲线是一条对数曲线,由上式可知lnq∝l,即相对流量的对数与相对行程成正比,因此等百分比流量特性也称为对数流量特性。等百分比流量特性控制法的增益:

    等百分比流量特性控制阀的增益Kv2与流量Q成正比,又因 ,则当相对行程变化量相同时,流量也变化相同的百分比,因此称为等百分比流量特性。

    2.3 快开流量特性

    快开流量特性控制阀的相对流量与相对行程之间的函数关系可以用下式描述:

    dq=Kv2q-1dl

    代入边界条件,求解得到快开流量特性的函数关系是:


    快开流量特性控制阀的增益Kv2与流量Q的倒数成正比,即Kv2∝Q-1,随流量增大,增益反而减小。由于这种流量特性的控制阀在小开度时就有较大流量,再增大开度,流量变化已很小,因此称为理想快开流量特性,通常有效调节的行程在1/4阀座直径。常用于快速切断。

    图1给出了典型的流量特性曲线,线性流量特性曲线表明流量与阀门行程成正比关系,这种比例关系提供一种具有恒定斜率的特性,所以在恒定的压力降下,阀门增益在所有流量处都是相同的(4)阀门增益是阀芯位置增量的比例,增益是阀门口径和配置、系统运行条件以及阀芯特性的函数。)线形阀芯通常用于液位控制和一些需要恒定增益的流量控制场合。对于等百分比的流量特性,阀门行程的等量增加产生相同百分比的流量变化,流量的变化始终与阀芯、蝶板或球的位置变化前的流量成比例,当阀芯、蝶板或球靠近阀座时,流量很小;当流量很大时,流量的变化也会很大(5)具有等百分比流量特性的阀门一般用于压力控制场合、以及大部分压力降通常被系统本身所吸收而只有小部分为控制阀所吸收的其它场合。快开流量特性在较小的阀门行程处,提供近似线性关系的最大流量改变,继续增加阀门行程,流量变化锐减,当阀芯接近全开位置时,流量的变化趋近于零。在控制阀中,快开阀芯主要用于开/关工况,但它亦适用于许多通常指定线性阀芯的场合(6)

    3 控制阀常见问题

    闪蒸和汽蚀是控制阀经常遇到的现象,以下分别就这两方面概述其原理及其预防措施。

    3.1 闪蒸

    闪蒸是不可压缩流体通过阀门节流后,从缩流断面直至阀门出口的静压降低到等于或低于该流体在阀门入口温度下的饱和蒸汽压时,部分液体汽化使得阀后形成汽液两相的现象,这个过程称为闪蒸(flashing),闪蒸的发生使液体的流量不随压降的增加而增加,出现阻塞流。闪蒸还造成汽液两相流,气体和液体同时流过阀芯和下游管道,造成冲刷,其特点是阀芯产生外表面磨损。

    3.2 汽蚀

    汽蚀是流体通过阀节流时,从缩流断面的静压降低到等于或者小于该流体在阀入口温度下的饱和蒸汽压时,部分液体汽化成气泡,继而静压又恢复到饱和蒸汽压之上,气泡破裂回复到液相的现象,这种气泡产生和破裂的全过程称为汽蚀(cavitation)。汽蚀的发生能对控制阀的阀芯产生严重的冲刷破坏,冲刷发生在流速最大处,通常在阀芯和阀座接触线处或附近。由于气泡破裂,释放能量,它不仅发出类似流沙流过阀门的爆破噪声,而且释放的能量冲刷阀芯表面,并波及下游管道。与闪蒸冲刷不同,汽蚀冲刷使阀芯及下游管道呈现类似煤渣的粗糙表面。

    3.3 闪蒸和汽蚀发生的原因及防止措施
    闪蒸发生的原因是阀后压力仍小于液体的饱和蒸汽压。与管道和下游过程有关,是流体和工作温度的函数,因此,闪蒸的发生不仅与控制阀有关,还与下游过程和管道等因素有关。这表明任何一个控制阀都有可能发生闪蒸。为此,在选用控制阀、设计管路、确定压力分配等过程中都要充分考虑闪蒸的发生。从控制阀看,应注意以下几项:

    第一,选用硬度较高的材质。选用硬质合金作为阀芯,或在可能发生闪蒸的部位焊接硬质材料,提高材料硬度,减少冲刷。第二,降低流体流速。降低下游流体流速,从而降低冲刷速度。例如,在控制阀下游设置扩径管,降低流速。第三,选用合适的控制阀类型和流向。不同的控制阀和流向,其压力恢复系数不同。例如对于易汽化的流体,不宜选用高压力恢复的球阀蝶阀,可选用低压力恢复的单座调节阀等。

    汽蚀发生的原因是控制阀缩流处压力低于饱和蒸汽压,而下游压力又恢复并高于液体的饱和蒸汽压。因此,消除和降低汽蚀发生的措施可有如下几种:控制压降,使汽蚀不发生。例如采用多级降压的方法,使控制阀的压降分为几级,每级的压降都保证不使缩流处的压力低于饱和蒸汽压力,从而消除汽蚀的发生。减小汽蚀影响。采用与防止闪蒸的类似方法,例如提高材质硬度,降低流速等。合理分配管路压力,提高下游压力。从工艺设计看,提高下游压力,使缩流处压力也相应提高,从而防止汽蚀的发生。

    4 结论

    本文介绍了控制阀这两大组成部分的基本分类方法以及控制阀与工业生产管路连接的三种方法。控制阀的流量特性是一个对阀门性能很重要影响的参数,它直接决定着控制阀的应用范围,本文在理论基础上分别分析了三种最常见的流量特性,从原理上对其做出了深入的分析。另外对于工业控制系统中控制阀常常遇见的闪蒸和汽蚀问题本文也剖析了其原因并给出了相应的预防措施。

    参考文献

    (1)田雪梅。控制阀流量特性畸变对系统控制质量的影响(J)。石油化工自动化,2002,(04):95~96。   
    (2)孙家孔。阀门手册。北京:中国石化出版社,2006。
    (3)Emerson。控制阀手册。新加坡:FisherControlsDeviceCo。Ltd。,1999。
    (4)GB/T17213。1-1998工业过程控制阀-第一部分:控制法术语和总则1998。
    (5)何衍庆,杨洁,王为国。控制阀设计的新方法(J)。医药工程设计,2007,28(6):59~62。
    (6)王为国,杨洁,王大方,何衍庆,王秀娟,邱宣振。控制阀工程设计估算的理论和实践(J)。医药工程设计,2005,26(2):32~35。
    (7)何衍庆,邱宣振等。控制阀工程设计与应用(M)。北京:化学工业出版,2005。