石化企業選擇控制閥

                       上海申弘閥門有限公司

之前介紹化工安全閥彈簧頻跳解決措施，現在介紹石化企業選擇控制閥隨著石化企業自動化程度的不斷提高，控制閥的選擇及使用顯得尤為重要。在生產現場，控制閥直接控制著工藝介質，有些介質成分比較復雜，尤其是高溫、高壓、劇毒、低溫、強腐蝕、易燃、易爆、易滲透、高粘度、易結晶等特殊情況，若選擇不當，往往給生產控制帶來困難，以致調節質量下降，甚至造成嚴重的生產事故。因此對控制閥的正確選用必須給予高度重視，特別是近階段以來，一些控制閥生產廠家為了顯示其雄厚的技術實力，在產品時，往往許諾只要提供一些必須的參數即可滿足用戶要求。這的確給用戶帶來了很大的便利，用戶因對產品的一些細節缺少了解，也不利于以后的維修。
下面筆者根據自己的工作經驗并結合相關資料，對控制閥選型過程中應該注意的幾個方面給以闡述，希望能對同行們的控制閥選型工作有所幫助，更好的保證企業的正常穩定生產，同時也促進彼此之間的技術交流。

根據工藝條件，選擇合適的結構形式和材質
1、石化企業選擇控制閥如何選擇控制閥的型式
?     控制閥前后壓差較小，要求泄漏量較小，一般可選用單座閥；
?     調節低壓差、大流量的氣體，可選用蝶閥；
?     調節強腐蝕性流體，可選用隔膜閥；
?      既要求調節又要求切斷時，可選用偏心旋轉閥；
?      噪音較大時可選用套筒閥。
2、如何選擇控制閥的材質
?      根據介質的工作壓力、溫度、腐蝕性、氣蝕沖刷是否嚴重等選材。
?      一般應選鑄鋼；
?     使用要求不高時（+120℃、1.6MPa以下）也可選用鑄鐵；
?     高溫（450-600℃）或低溫（-60-250℃）場合應選用1Cr18Ni9Ti；
?     高壓（22-32MPa）場合應選用鍛鋼，1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti；
?     強腐蝕介質應選1Cr18Ni9Ti；

根據工藝對象的特點，選擇合適的流量特性
     控制閥的流量特性是介質流過控制閥的相對流量與相對位移（控制閥的相對開度）間的關系，一般來說改變控制閥的閥芯與閥座的流通截面，便可控制流量。但實際上由于多種因素的影響，如在截流面積變化的同時，還發生閥前后壓差的變化，而壓差的變化又將引起流量的變化。
      在閥前后壓差保持不變時，控制閥的流量特性稱為理想流量特性；控制閥的結構特性是指閥芯位移與流體流通截面積之間的關系，它純粹由閥芯大小和幾何形狀決定，與控制閥幾何形狀有關外，還考慮了在壓差不變的情況下流量系數的影響，因此，控制閥的理想流量特性與結構特性是不同的。理性流量特性主要由線性、等百分比、拋物線及快開四種。在實際生產應用過程中，控制閥前后壓差總是變化的，這時的流量特性稱為工作流量特性，因為控制閥往往和工藝設備串聯或并聯使用，流量因阻力損失的變化而變化，在實際工作中因閥前后壓差的變化而使理想流量特性畸變成工作特性。
     控制閥的理想流量特性，在生產中常用的是直線、等百分比、快開三種，拋物線流量特性介于直線與等百分比之間，一般可用等百分比來代替，而快開特性主要用于二位式調節及程序控制中。因此，控制閥的特性選擇是指如何選擇直線和等百分比流量特性。
目前控制閥流量特性的選擇多采用經驗準則，可從下述幾個方面考慮：

1、從調節系統的質量分析
     下圖是一個熱交換器的自動調節系統，它是由調節對象、變送器、調節儀表和控制閥等環節組成。K1變送器的放大系數，K2調節儀表的放大系數，K3執行機構的放大系數，K4控制閥的放大系數，K5調節對象的放大系數。很明顯，系統的總放大系數K為：K=K1*K2*K3*K4*K5

     K1、K2、K3、K4、K5分別為變送器、調節儀表、執行機構、控制閥、調節對象的放大系數，在負荷變動的情況下，為使調節系統仍能保持預定的品質指標；則希望總的放大系數在調節系統的整個操作范圍內保持不變。通常，變送器、調節器（已整定好）和執行機構的放大系數是一個常數，但調節對象的放大系數卻總是隨著操作條件變化而變化，所以對象的特性往往是非線性的。因此，適當選擇控制閥的特性，以閥的放大系數的變化來補償調節對象放大系數的變化，而使系統的總放大系數保持不變或近似不變，從而提高調節系統的質量。
      因此，控制閥流量特性的選擇應符合：
                   K4*K5=常數
     對于放大系數隨負荷的加大而變小的現象，假如選用放大系數隨負荷加大而變大的等百分比特性控制閥，便能使兩者相互抵消，合成的結果，使總放大系數保持不變，近似于線性。當調節對象的放大系數為線性時，則應采用直線流量特性，使總放大系數保持不變。

2、從工藝配管情況考慮
     控制閥總是與管道、設備等連在一起使用，由于系統配管情況的不同，配管阻力的存在引起控制閥上壓降的變化，因此，閥的工作流量特性與閥的理想流量特性也有差異。必須根據系統特點來選擇希望得到的工作特性，然后再考慮配管情況來選擇相應的理想特性。
    控制閥、全部工藝設備和管路系統上的壓差，稱為系統總壓差。控制閥全開時閥前后壓差ΔPmin與系統總壓差ΔP之比稱為S值，即

從上表可以看出，當S=1-0.6之間時，所選理想特性與工作特性一致。當S=0.6-0.3時，若要求工作特性是線性的應選等百分比，這是因為理想特性為等百分比特性的閥，當S=0.6-0.3時，經畸變的工作特性已經接近線性了；當要求的工作特性為等百分比時，那么其理想曲線應比它更凹一些，此時可通過閥門定位器凸輪外廓曲線來補償或采用雙曲線特性來解決。當S<0.3時，直線特性已嚴重畸變為快開特性而不利于調節，既使是等百分比理想特性，工作特性也已嚴重偏離理想特性接近于直線特性，雖然仍能進行調節，但它的調節范圍已大大減小，所以一般不希望S值小于0.3。確定阻力比S的大小，應從兩個方面考慮：首先應保證調節性能，S值越大，工作特性畸變越小，對調節有利；但S越大說明調節的壓差損失越大，造成不必要的動力消耗。一般設計時取S=0.3-0.5之間，對于高壓系統考慮到節約動力，允許S=0.15。對于氣體介質，因阻力損失較小，一般S值都大于0.5。

3、從負荷變化情況分析
     直線特性控制閥在小開度時流量相對變化值大，過于靈敏容易引起振蕩，使閥芯、閥座極易受到破壞，在S值小，負荷變化大的場合不宜采用。等百分比控制閥的放大系數隨控制閥行程增加而增加，流量相對變化值是恒定不變的，因此它對負荷波動有較強的適應性，無論在滿負荷或半負荷生產時，都能很好的調節；從制造角度來看也并不困難。在生產過程中等百分比是應用zui廣泛的一種。

根據工藝操作參數，選擇合理的控制閥尺寸
     當我們選定了控制閥的類型和特性之后，就可進一步決定它的尺寸。流通能力是確定控制閥口徑的重要依據，從工藝提供數據到算出流通能力，直到閥的口徑確定，需經以下幾個步驟：
1、計算流量的確定
     根據現有的生產能力、設備負荷及介質狀況來計算zui大流量Qmax和zui小流量Qmin  。
     在計算C值時應按zui大流量來考慮，zui大流量考慮過多的余量時，使控制閥口徑偏大；這不但造成經濟上的浪費，而且更不利的是使控制閥經常工作在小開度，可調比減小，調節性能變壞，嚴重時甚至引起振蕩，因而大大降低了閥的使用壽命。
     在選擇zui大流量時，應根據對象負荷的變化及工藝設備的生產能力來合理確定。對于調節質量高的場合，更應以現有的工藝條件來選擇zui大流量，但也要注意不能片面強調調節質量，以致當負荷變化以及當現有生產設備經過技改或擴建，當生產能力稍有提高，控制閥就不能適應，即需更換。也就是說，應當兼顧當前與今后在一定的范圍內擴大生產能力這兩方面的因素，然后合理的確定zui大計算流量。
2、計算壓差的決定
    根據已選擇控制閥的流量特性及系統特點選擇S值，然后決定計算壓差。
     要使控制閥能起到調節作用，就必須在閥前后有一定的壓差，閥上的壓差占整個系統壓差的比值越大，則調節流量特性的畸變就越小，調節性能就能得到保證，但是閥前后壓差越大，即閥上的壓力損失越大，所消耗的動力越多。因此必須兼顧調節性能和動力消耗，合理地計算壓差。系統總壓差是指系統中包括控制閥在內的與流量有關的動能損失，如彎頭、管件、節流裝置、工藝裝置、手動閥門等局部阻力上的壓力損失。選擇控制閥的計算壓差主要是根據工藝管路、設備等組成系統的總壓降大小及變化情況來選擇，其步驟如下：
?      選擇系統的兩個恒壓點，把離控制閥前后zui近且壓力基本穩定的兩個設備作為系統的計算范圍。計算系統內各項局部阻力（除控制閥外）所引起的壓力損失的總和ΣΔPF ，按zui大流量分別進行計算，并求出它們的總和。選取S值。S值應為控制閥全開時閥上壓差ΔPV和系統中壓力損失總和（在zui大流量時）之比，即
        S= ΔPV /(ΔPV+ΣΔPF )
     S值一般不希望小于0.3，通常選S=0.3~0.5。對于高壓系統，考慮到節約動力消耗，允許降低到S=0.15。對于氣體介質，由于阻力損失較小，控制閥上壓差所占的分量較大，一般S值都大于0.5。但在低壓及真空系統中，由于允許壓力損失較小，所以仍在0.3~0.5之間為宜。
?      求取控制閥壓差ΔPV，按求出的ΣΔPF及選定的S值。由下式求出ΔPV即
            ΔPV= S*ΣΔPF/(1-S)
    考慮到系統設備中靜壓經常波動影響閥上壓差的變化，使S值進一步下降，如鍋爐給水調節系統，鍋爐壓力波動就會影響控制閥上的壓差變化。此時計算壓差還應增加系統設備中靜壓P的5-10%，即ΔPV= S*ΣΔPF/(1-S) +（0.05~0.1）P
這里必須注意，在確定計算壓差時，要盡量避免氣蝕和噪音。減小和防止氣蝕，可以從以下幾個方面考慮：

?    上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥 壓差。避免空化氣蝕的zui根本方法，是使控制閥的使用壓差ΔP低于不產生氣蝕的zui大壓差ΔPC。但要做到這一點比較困難。一般來說，當閥上壓差ΔP<1.5MPa時，即使產生氣蝕，但對材質的損壞并不嚴重，不需要采取什么措施。如果ΔP較高，就要設法解決氣蝕問題。如：增長節流通道（把閥芯加長、閥座加厚）；在閥座密封面上部增設阻力；減小壓力恢復程度；削弱氣蝕；也可在閥前、后加裝限流孔板吸收一部分壓降。
?      材料。一般來說材料越強抗氣蝕能力越強，由于氣蝕往往發生在金屬表面，可在閥芯、閥座、閥桿等處噴鍍或堆焊一層硬質金屬，這種方法叫表面硬化處理。采用的材料目前有司太萊合金（一種鈷鉻鎢合金。有Site NO12、NO6）、6YC1合金（一種鈷鉻鎢合金）、硬質工具鋼、碳化鎢等，其中以Site NO12應用。經表面硬化處理后，以奧氏體不銹鋼（SUS304、1Cr18Ni9Ti）為例，可提高耐氣蝕10倍以上。
    在氣蝕嚴重的場合，也可采用整體硬質合金的控制閥。
?      采用高壓差防空化控制閥。主要有多級套筒式、多級閥芯式、多級疊板式，均根據多級降壓原理制成，用于壓差接近于、高于10MPa的場合。如何減小、防止噪音

    一般來說控制閥的噪音，來源于三個方向：
?     振動噪音。這一類噪音由共振引起，有的表現為振動強烈噪音不大，有的振動弱噪音非常大，有的振動和噪音都很大。顯然，消除共振，噪音自然就隨之消失。
?      液體動力學噪音。對控制閥來講，空化是主要的液體動力學噪音源。空化氣泡破損產生高速沖擊，使其局部產生強烈喘流，形成空化噪音。這種噪音發出咯咯聲，與流體中含有沙石發出的聲音相似，應從防止或減小閃蒸、空化上采取措施。
?      氣體動力學噪音。當壓縮流體通過控制閥的速度大于或等于音速時，便會產生強烈的噪音。速度越大，噪音將明顯增大。避免氣體動力學噪音的根本辦法是限制控制閥節流速度，使之低于音速。

3、流通能力的計算：選擇合適的計算公式或圖表，根據已確定的計算流量和計算壓差，求取zui大和zui小流量時的Cmax 和Cmin值。
4、流通能力C值的選用：根據已求得的Cmax，在所選用的產品型號標準系列中，選取大于Cmax值并與其zui接近的那一級的C值。
5、控制閥開度驗算：一般要求zui大計算流量時的開度在90%左右，zui小計算流量時的開度不小于10%。
    根據流量和壓差計算得到的Cmax值，并按照制造廠提供的各類控制閥的標準系列選定控制閥的口徑。因選定的控制閥的C值大于Cmax值，所以需要驗算控制閥工作時的開度。
     一般zui大流量時控制閥的開度應在90%左右，在zui大開度過小，說明控制閥選的過大，它經常在小開度下工作，造成調節性能下降和經濟上的浪費。zui小開度，希望不小于10%，否則，閥芯閥座受流體沖蝕嚴重特性變壞，甚至失靈。
    流量特性不同，閥的相對開度和相對流量的對應關系也不同，理想特性和工作特性又有差別，因此驗算開度應根據閥的特性進行。
     控制閥流量特性的數學表達式為：
                                     Q/Qmax=f(l/L)
      式中 Q/Qmax： 相對流量 控制閥某一開度下的流量與全開流量之比。
         l/L  ： 相對位移控制閥某一開度閥芯位移與全開位移之比。
6、控制閥可調比的驗算：一般要求實際可調比不小于10。
       控制閥的可調比就是控制閥所控制的zui大流量與zui小流量之比，也稱為可調范圍，若以R來表示，則
                    R=Qmax/Qmin
     要注意zui小流量和泄漏量是不同的。zui小流量是指可調流量的下限值，它一般為zui大流量的2-4%；而泄漏量是閥全關時泄漏的量，它僅為zui大流量的0.1-0.01%。
     也就是說理想可調比等于zui大流通能力與zui小流通能力之比，它反映了控制閥調節能力的大小，是以結構設計決定的。
    控制閥在實際工作中總是與管路系統相串聯或與旁路閥并聯，隨管路系統的阻力變化或旁路閥開啟程度的不同，控制閥的可調比也發生相應變化，此時的可調比稱為實際可調比。
    由于在選擇控制閥口徑時，已使閥的C值大于計算的Cmax值，特別是在使用時對zui大開度和zui小開度的限制，都會使可調比下降，一般R值只有10左右。此外，還受到工作流量特性畸變的影響，使可調比下降。
    當選用的控制閥不能同時滿足工藝上zui大流量與zui小流量的調節要求時，除增加系統壓力外，可采用兩個控制閥進行分程控制來滿足可調比的要求。
7、閥座直徑和公稱直徑的決定，驗證合適后，根據C值決定。

根據閥桿受力的大小，選擇足夠推力的執行機構
1、如何選擇氣動執行機構
     選擇氣動執行機構時主要考慮以下幾個因素：
?     一般標準組合的控制閥所規定的允許誤差是否滿足工藝操作時閥上壓降的要求。在大壓差的情況下，一般要計算閥芯所受的不平衡力和執行機構的輸出力，使其滿足：
                  F≥1.1（Ft+F0）
           F ：執行機構的輸出力；
       Ft：閥芯所受不平衡力；
       F0：閥座緊壓力，一般按全關時，2Mpa（或200N）估算。
?      執行機構的響應速度是否滿足工藝的操作要求。一般應優先選用薄膜執行機構，當薄膜執行機構不能滿足上述兩項要求時，應選用活塞執行機構。
     調節口徑大或壓差高時，可選用活塞執行機構。
     雙位式控制閥一般選用無彈簧氣動薄膜執行機構。
     大轉矩蝶閥應選用氣動長行程執行機構。
     氣動薄膜（有彈簧）執行機構的行程規格有10、16、25、40、60、100mm。薄膜有效面積有200、280、400、630、1000、1600cm2六種規格。有效面積越大，執行機構的位移和推力也越大，可按實際需要進行選擇。
2、如何選擇電動執行機構
?     選擇電動執行機構需要注意的問題是：執行機構的輸出力或力矩，不但要大于負荷力或力矩，還應合理匹配。
?      直行程執行機構通常用來推動直通單座閥、雙座閥、三通閥、角閥等，它直接安裝在閥體上與閥桿連接。
?      角行程電動執行機構通常用來推動蝶閥、球閥、偏心旋轉閥等，除直接安裝在閥體上與閥桿連接外，還可通過連桿、杠桿、鋼索等與閥軸連接。要求執行機構的有效角位移與調節機構全開到全關之間的動作范圍相同。如有不符，可用改變曲柄長度的辦法進行調整。
?     多轉式電動執行機構通常用來推動閘閥、截止閥等，它直接安裝在閥體上與閥桿連接。

根據需要選擇合適的輔助裝置
1、氣動控制閥的輔助裝置有：閥門定位器：包括電氣閥門定位器和氣動閥門定位器，用于改善控制閥工作特性，實現正確定位。
     閥位開關：顯示控制閥上、下限的工作位置。
     氣動保位閥：氣源故障時，保持控制閥當時的位置。
     三通、四通電磁閥：實現氣路的自動切換。
     手輪機構：系統故障時，可切換進行手動操作。
    氣動繼動器：使執行機構的動作加快，減少傳遞時間。
    空氣過濾減壓閥：作為氣源過濾、減壓之用。
2、需要采用閥門定位器的場合：
?     摩擦力大，需要定位的場合。例如高溫、低溫控制閥或采用柔性石墨填料的控制閥。
?     緩慢過程需要提高控制閥響應速度的場合。例如，DN≥25mm的單座閥，DN>100mm的雙座閥，閥兩端壓降ΔP>10MPa或入口壓力P1>10MPa的場合。
?     分程調節系統和控制閥運行時需要改變氣開、氣關的場合。
?     需要改變流量特性的場合。
?     調節器比例帶很寬，但又要求閥對小信號響應時。
?     采用無彈簧機構的控制閥，例如比例式氣動活塞執行機構等。

結束語
      石油化工裝置中的控制閥的種類和形式多種多樣，控制閥的安全保護措施也會出現各種不同的情況。對于控制閥的安全聯鎖保護中氣動控制閥聯鎖要求的不同形式，就需要考慮到電磁閥的閥體材質、壓力等級、允許壓差、流通能力、工藝連接形式、電磁閥的觸點形式、防爆等級、防護等級等各方面的要求；對于控制閥的安全聯鎖保護中電動控制閥聯鎖要求的不同形式，就需要考慮到電子執行機構的形式、電源規格、觸點形式、聯鎖動作的時間等各方面的要求。對于信號失效氣動控制閥的安全保護，就需要考慮到氣動控制閥的控制信號壓力，儲氣罐的容積、各管路的氣壓、工藝過程等各方面的要求；對于信號失效電動控制閥的安全保護，就需要考慮到電動控制閥的控制信號類型、電源規格、工藝過程等各方面的要求等。因此在工程設計中考慮安全設計、選型、配置時，必須根據安全保護的設計原則和相關要求，標準規范，結合工藝過程的安全要求，仔細推敲斟酌控制閥安全保護設計的每個環節，確保控制閥在工藝過程發生危險情況下真正發揮安全保護的作用。此外還需考慮控制閥的外泄問題，注意密封墊片的選擇。四氟填料，因為工作溫度在-40-250℃范圍內。當溫度上、下限變化較大時，其密封性能變會明顯下降，老化快，壽命短，柔性石墨填料可克服這些缺點，使用壽命長。但石墨填料的回差大，zui初使用時會產生爬行現象，對這方面必須有所考慮。采用石棉板作密封墊片，在高溫下，其密封性能較差，壽命也短，容易引起外泄；纏繞墊片、“O”形環在高溫、高壓下密封性能較好。總之，控制閥選型所涉及的問題還比較多，希望通過本文的敘述能使廣大同行在控制閥的應用方面有所幫幫助，不當之處給予批評和指教。與本文相關的產品有角式平衡型截止閥設計說明