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(duì)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(mén)CV值時(shí)壓差Δp的取值問(wèn)題;以此判斷閥門(mén)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(mén)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(wú)量綱。具體計(jì)算中，Cv=，其中：q是經(jīng)過(guò)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(wú)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(duì)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(mén)計(jì)算錯(cuò)誤，并使閥門(mén)選型過(guò)小。筆者通過(guò)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(mén)選型。

在某石化改造項(xiàng)目中，有1臺(tái)閥門(mén)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(mén)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(mén)全開(kāi)，但使用中還是偏小，迫切希望該次改造中對(duì)閥門(mén)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(duì)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(guò)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(mén)Cv值計(jì)算時(shí)Δp的取值問(wèn)題，進(jìn)一步再判斷閥門(mén)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(mén)Cv值的計(jì)算就不能采用工藝給的壓降Δp來(lái)計(jì)算，而應(yīng)該采用阻塞流對(duì)應(yīng)的臨界壓降Δpcr。 因此，對(duì)于可能發(fā)生阻塞流工況的閥門(mén)，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(duì)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(méi)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(chēng)為靜縮流處，該處壓力最小，稱(chēng)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(guò)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(guò)控制閥后，經(jīng)過(guò)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(duì)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(duì)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(jiàn)，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(duì)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(duì)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(mén)的其他參數(shù)無(wú)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(wú)關(guān)。流過(guò)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(lái)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(mén)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(kāi)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(duì)應(yīng)的Δpcr的大小，對(duì)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(duì)上述實(shí)例，筆者重新計(jì)算了這臺(tái)閥門(mén)的Cv值。首先，需要判斷此臺(tái)閥門(mén)是否發(fā)生了阻塞流工況。阻塞流下對(duì)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(mén)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(duì)于閥門(mén)來(lái)說(shuō)，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(lái)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(lái)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(guò)程稱(chēng)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(mén)前后壓力變化示意

　　在可能發(fā)生阻塞流的工況下的閥門(mén)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(duì)上述實(shí)例，由上述的判別步驟得知，該閥門(mén)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(wú)法避免，但是對(duì)于控制閥來(lái)講，閃蒸會(huì)對(duì)閥門(mén)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(duì)于會(huì)發(fā)生閃蒸工況的閥門(mén)來(lái)講，因?yàn)殚W蒸無(wú)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(mén)來(lái)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(lèi)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(mén)類(lèi)型和流向，可以防止發(fā)生阻塞流。例如：對(duì)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(lái)說(shuō)，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(mén)內(nèi)部發(fā)生了液變氣，氣再變液的過(guò)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(mén)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(jí)降壓的方式，使控制閥的壓降分為幾級(jí)，而每級(jí)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(wú)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(lèi)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(yǔ)

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(mén)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(mén)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(guò)小，導(dǎo)致閥門(mén)選型過(guò)小的問(wèn)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(mén)類(lèi)型，延長(zhǎng)閥門(mén)的使用壽命。