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蔡曙輝

1  序言
隨著科技進步，在生產過程自動化中，用來控制流體流量的調節閥已遍及各個行業。對于熱力、化工過程控制系統，作為最終控制過程介質各項質量及安全生產指標的調節閥，它在穩定生產，優化控制，維護及檢修成本控制等方面都起著舉足輕重的作用。由于調節閥是通過改節流方式來控制流量的，所以它既是一種有效的調節手段，同時又是一個會產生節流能耗的部件。以化工廠為例，隨著裝置高負荷的運行以及30%增容的實施，調節閥的腐蝕、沖刷、磨損、振動、內漏等問題不斷發生，從而導致調節閥的使用壽命縮短，工作可靠性下降，進而引起工藝系統和裝置的生產效率大幅度下降，嚴重時可以導致全線停車。這在如今視質量和效益為生命的企業管理中尤為重要和緊迫，對此，如何選擇和安裝好調節閥，使調節閥在一個高水平狀態下運行將是一個很關鍵的問題，選擇調節閥時，首先要收集完整的工藝流體的物理特性參數與調節閥的工作條件，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出口壓力、最大切斷壓差等。在對調節閥具體選型確定前，還必須充分掌握和確定調節閥體本身的結構、形式、材料等方面的特點。而技術方面主要考慮流量特性、壓降、閃蒸、氣蝕、噪音等問題。
下面就調節閥應用中的技術方面問題進行詳細闡述。
2  如何選擇流量特性
調節閥的流量特性是指介質流過伐門的相對流量與相對位移間的關系，數學表達式如下：
Q/Qmax=f（l/L）
式中Q/Qmax為相對流量，為調節閥在某一開度時流量Q與全開流量Qmax之比；l/L為相對位移，為調節閥在某一開度時伐芯位移l與全開位移L之比。
選擇的總體原則是調節閥的流量特性應與調節對象特性及調節器特性相反，這樣可使調節系統的綜合特性接近于線性。通常按工藝系統要求進行，但是還要考慮很多實際情況，現分別敘述如下。
(1)  直線性流量調節閥
直線性流量特性是指調節閥的相對流量與相對位移成直線關系即單位位移變化所引起的流量變化是常數。
選用直線性流量特性閥的場合一般為：① 差壓變化小，幾乎恒定；② 工藝系統主要參數的變化呈線性；③ 系統壓力損失大部分分配在調節閥上（改變開度，閥上差壓變化相對較小）；④ 外部干擾小，給定值變化小，可調范圍要求小的場合。
(2)  等百分比特性調節閥
等百分比流量特性也稱對數流量特性。它是指單位相對位移變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系。即調節閥的放大系數是變化的，它隨相對流量的增大而增大。
優先選用等百分比特性閥的場合為：① 實際可調范圍大；② 開度變化，閥上差壓變化相對較大；③ 管道系統壓力損失大；④ 工藝系統負荷大幅度波動；⑤ 調節閥經常在小開度下運行。
除了以上兩種常用的流量特性之外，還有拋物線特性和快開特性等其他流量特性的調節閥，理想的流量特性曲線如圖1所示。 

圖1  調節閥理想流量特性曲線

在密封結構上，若流量特性精度要求高，則可選用高精度流量特性的金屬密封型，而軟密封型精度較低。
3  調節閥壓降的系統考慮
調節閥作為過程控制系統中的終端部件，是最常用的一種執行器。按過程控制系統的要求，調節閥應具有在低能量消耗的狀態下工作，且能充分與系統匹配的工作特性。但是在調節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Qmax的情況下，選擇一只較小口徑的調節閥，雖然其他阻力不變而總的阻力必然比較大，形成大的系統總壓降。假若物流的推動力是由泵產生，就意味著必須選功率大一些的泵和電機，這樣必然帶來大的能耗。
當管道系統中介質的流速增加時，流體通過管道上的各種安裝部件時產生的流體壓降也會發生一系列的動態變化，作為管道流體控制主要部件的調節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，我們在分析與調節閥有關的系統問題時，不僅要考慮到調節閥本身的問題，而且也要考慮到調節閥的壓降對系統動態平衡的影響。對此略作闡述。
圖2是一個簡單的安裝有調節閥的工藝流程圖，其中D1和D2是工藝罐，G1是泵，V1是調節閥，E1是熱交換器。這里可以將管道流體的壓力變化分解成幾個部分，即：ΔPp（泵的增壓），ΔPv（調節閥上的壓降），ΔPa（熱交換器上的壓降），ΔPt（管道上的壓降），ΔPg（流體動勢能轉換壓降）。 

圖2  工藝流程圖 

圖3  流體系統流量―壓力曲線圖

圖3是該流體系統的流量―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。在該系統中對應泵的壓力特性方程為：
ΔPp=ΔPfo-（1/ρ）*（F/Cp）²
其中：ΔPfo為在零流量下的泵的出口壓力增壓；ρ為液體介質的質量密度；F為液體介質的質量流量；Cp為常數。
流體在管道上的壓降特性方程為：
ΔPt=（1/ρ）*（F/Ct）²
流體在熱交換器上的壓降特性方程為：
ΔPa=（1/ρ）*（F/Ca）²
流體在調節閥上的壓降特性方程可以類似表達為：
ΔPv=（1/ρ）*（F/Cv*）²
這里的Cv*是一個動態的流量常數，它要根據調節閥的閥桿位置的變化而變化的。
下面就調節閥在系統中的最大壓降和最小壓降作進一步的探討。
 

圖4  調節閥流量控制系統

                 
     (1) 流量和泵出口壓力                        (2) 流量和罐體入口壓力
圖5  關系特性圖
圖4為一個簡單而典型的調節閥流量控制系統，在該系統中，流量（包括最大流量和最小流量）和泵出口壓力以及罐體入口壓力的關系特性如圖5中的(1)、(2)所示。 

圖6

由圖6可以看出調節閥允許的最大壓降和最小壓降在整個系統壓力變化分布中的位置和關聯因素。相對而言，當流量最大時，調節閥的壓降最小；流量最小時，調節閥的壓降最大。
另外，必須注意：為了使調節閥能夠工作在一個正常的狀態，切記不要使調節閥的最小壓差為零！
關于調節閥的壓差問題，在此針對幾種常見情況進行進一步的闡述。
①  在有泵驅動下的管線系統中，對應額定流量時調節閥的壓降應該為系統動態壓降的30%左右或者為15PSI。
②  在離心壓縮機的吸入口或者排出口如果安裝有調節閥，則調節閥在正常工作條件下的壓降應為抽吸時絕對壓力的5%或者為該系統動態壓降的50%左右。
③  對于利用工藝罐體之間靜壓差來驅動介質流動的管線系統，其調節閥在正常工作條件下的壓降應為低斷罐體壓力的10%或者為該系統動態壓降的50%左右。
④  對于連接到透平的蒸汽管線上的調節閥在正常工作條件下的壓降應為該蒸汽系統設計絕對壓力的10%或者為5PSI。
4  調節閥的閃蒸和氣蝕
在調節閥內流動的液體常常出現閃蒸和氣蝕兩種現象。它們的發生不但影響口徑的選擇和計算，而且將導致嚴重的噪聲、振動、材質的破壞等。在這種情況下，調節閥的工作壽命會大大的縮短，對此有必要加以詳細闡述。
正常情況下，作為液體狀態的介質，流入、流經、流出調節閥時均保持液態。其壓力變化曲線如圖7中的(1)所示。
閃蒸作為液體狀態的介質，流入調節閥時是液態，在流經調節閥中的縮流處時流體的壓力低于氣化壓力Pvapor，液態介質變成氣態介質，并且它的壓力不會再回復到氣化壓力之上，流出調節閥時介質一直保持氣態。其壓力變化曲線如圖7(2)所示。   

       (1) 正常情況下      

        (2) 閃蒸情況下

 (3)  氣蝕情況下

圖7  液體壓力變化曲線

閃蒸就象一種噴沙現象，它作用在閥體和管線的下游部分，給調節閥和管道的內表面造成嚴重的沖蝕，同時也降低了調節閥的流通能力。
氣蝕作為液體狀態的介質，流入調節閥時是液態，在流經調節閥中的縮流處時流體的壓力低于氣化壓力，液態介質變成氣態介質，隨后它的壓力又回復到氣化壓力Pvapor之上，最后在流出調節閥前介質又變成液態。其壓力變化曲線如圖7中(3)所示。
可以根據一些現象來初步判斷氣蝕的存在，當氣蝕開始時它會發出一種嘶嘶聲，當氣蝕發展到完全穩定時，調節閥中會發出嘎嘎的聲音，就象有碎石在流過調節閥時發出的聲響。氣蝕對調節閥及內件的損害也是很大的，同時它也降低了調節閥的流通效能，就象閃蒸一樣。
因此，我們必須采取有效的措施來防止或者最大限度地減小閃蒸或氣蝕的發生：
①  盡量將調節閥安裝在系統的最低位置處，這樣可以相對提高調節閥入口P1和出口P2的壓力，如圖8所示。
②  在調節閥的上游或下游安裝一個截止閥或者節流孔板來改變調節閥原有的安裝壓降特性（這種方法一般對于小流量情況比較有效），如圖9所示。
 

            圖8 

圖9

③  選用專門的反氣蝕內件也可以有效地防止閃蒸或氣蝕，它可以改變流體在調節閥內的流速變化，從而增加了內部壓力。
④  盡量選用材質硬性較好的調節閥，因為在發生氣蝕時，對于這樣的調節閥，它有一定的抗沖
蝕性和耐磨性，可以在一定的條件下讓氣蝕存在，并且不會損壞調節閥的內件。相反，對于軟性材質的調節閥，由于它的抗沖蝕性和耐磨性較差，當發生氣蝕時，調節閥的內部構件很快就會被磨損，因而無法在有氣蝕的情況下正常工作。
總之，目前還沒有什么工程材料能夠適應嚴重條件下的氣蝕情況，只能針對客觀情況來綜合分析，選擇一種相對比較合理的解決辦法。
5  調節閥的噪音分析
氣蝕和噪音是調節閥在控制高壓差流體中的兩大公害。調節閥上的噪音更是石油化工生產中的主要污染源。在使用中除需選用低噪音結構閥外，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。
調節閥在工作時，應注意它的噪音情況，分析好噪音的產生機理可以更好地監視調節閥的工作狀態和有效處理所發生的問題，下面通過舉例說明。
①  機械類振動――如當閥芯在套筒內水平運動時，可以做到閥芯與套筒的間隙盡量小或者使用硬質表面的套筒。
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  閥芯不穩定性――如由于閥芯振蕩性位移引起流體的壓力波動而產生的噪音，這種情況一般是由于調節回路執行器等的阻尼因素引起的，對此可以重新調節阻尼系數或者在閥芯位移方向上加上減振設施。
④  介質的力學流動性――介質在管道或者調節閥中流動時，也會發出噪音，對于這種情況，這里不作具體闡述（氣蝕也會產生噪音）。
當然，有些噪音是無法消除的，只能盡量采取防噪音保護措施，如戴耳塞等。
總之，調節閥的選型和應用是一個專業性強、涉及的技術領域廣的系統工作，要做好這個工作，不僅要在理論上充分了解它的各種特性，而且要結合實際使用經驗來綜合分析判斷，做到理論和實踐科學地結合起來。