上海申弘阀门有限公司
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石化企业选择控制阀
上海申弘阀门有限公司
之前介绍化工安全阀弹簧频跳解决措施，现在介绍石化企业选择控制阀随着石化企业自动化程度的不断提高，控制阀的选择及使用显得尤为重要。在生产现场，控制阀直接控制着工艺介质，有些介质成分比较复杂，尤其是高温、高压、剧毒、低温、强腐蚀、易燃、易爆、易渗透、高粘度、易结晶等特殊情况，若选择不当，往往给生产控制带来困难，以致调节质量下降，甚至造成严重的生产事故。因此对控制阀的正确选用必须给予高度重视，特别是近阶段以来，一些控制阀生产厂家为了显示其雄厚的技术实力，在产品时，往往许诺只要提供一些必须的参数即可满足用户要求。这的确给用户带来了很大的便利，用户因对产品的一些细节缺少了解，也不利于以后的维修。
下面笔者根据自己的工作经验并结合相关资料，对控制阀选型过程中应该注意的几个方面给以阐述，希望能对同行们的控制阀选型工作有所帮助，更好的保证企业的正常稳定生产，同时也促进彼此之间的技术交流。
根据工艺条件，选择合适的结构形式和材质
1、石化企业选择控制阀如何选择控制阀的型式
? 控制阀前后压差较小，要求泄漏量较小，一般可选用单座阀；
? 调节低压差、大流量的气体，可选用蝶阀；
? 调节强腐蚀性流体，可选用隔膜阀；
? 既要求调节又要求切断时，可选用偏心旋转阀；
? 噪音较大时可选用套筒阀。
2、如何选择控制阀的材质
? 根据介质的工作压力、温度、腐蚀性、气蚀冲刷是否严重等选材。
? 一般应选铸钢；
? 使用要求不高时（+120℃、1.6MPa以下）也可选用铸铁；
? 高温（450-600℃）或低温（-60-250℃）场合应选用1Cr18Ni9Ti；
? 高压（22-32MPa）场合应选用锻钢，1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti；
? 强腐蚀介质应选1Cr18Ni9Ti；
根据工艺对象的特点，选择合适的流量特性
控制阀的流量特性是介质流过控制阀的相对流量与相对位移（控制阀的相对开度）间的关系，一般来说改变控制阀的阀芯与阀座的流通截面，便可控制流量。但实际上由于多种因素的影响，如在截流面积变化的同时，还发生阀前后压差的变化，而压差的变化又将引起流量的变化。
在阀前后压差保持不变时，控制阀的流量特性称为理想流量特性；控制阀的结构特性是指阀芯位移与流体流通截面积之间的关系，它纯粹由阀芯大小和几何形状决定，与控制阀几何形状有关外，还考虑了在压差不变的情况下流量系数的影响，因此，控制阀的理想流量特性与结构特性是不同的。理性流量特性主要由线性、等百分比、抛物线及快开四种。在实际生产应用过程中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性，因为控制阀往往和工艺设备串联或并联使用，流量因阻力损失的变化而变化，在实际工作中因阀前后压差的变化而使理想流量特性畸变成工作特性。
控制阀的理想流量特性，在生产中常用的是直线、等百分比、快开三种，抛物线流量特性介于直线与等百分比之间，一般可用等百分比来代替，而快开特性主要用于二位式调节及程序控制中。因此，控制阀的特性选择是指如何选择直线和等百分比流量特性。
目前控制阀流量特性的选择多采用经验准则，可从下述几个方面考虑：
1、从调节系统的质量分析
下图是一个热交换器的自动调节系统，它是由调节对象、变送器、调节仪表和控制阀等环节组成。K1变送器的放大系数，K2调节仪表的放大系数，K3执行机构的放大系数，K4控制阀的放大系数，K5调节对象的放大系数。很明显，系统的总放大系数K为：K=K1*K2*K3*K4*K5
K1、K2、K3、K4、K5分别为变送器、调节仪表、执行机构、控制阀、调节对象的放大系数，在负荷变动的情况下，为使调节系统仍能保持预定的品质指标；则希望总的放大系数在调节系统的整个操作范围内保持不变。通常，变送器、调节器（已整定好）和执行机构的放大系数是一个常数，但调节对象的放大系数却总是随着操作条件变化而变化，所以对象的特性往往是非线性的。因此，适当选择控制阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿调节对象放大系数的变化，而使系统的总放大系数保持不变或近似不变，从而提高调节系统的质量。
因此，控制阀流量特性的选择应符合：
K4*K5=常数
对于放大系数随负荷的加大而变小的现象，假如选用放大系数随负荷加大而变大的等百分比特性控制阀，便能使两者相互抵消，合成的结果，使总放大系数保持不变，近似于线性。当调节对象的放大系数为线性时，则应采用直线流量特性，使总放大系数保持不变。
2、从工艺配管情况考虑
控制阀总是与管道、设备等连在一起使用，由于系统配管情况的不同，配管阻力的存在引起控制阀上压降的变化，因此，阀的工作流量特性与阀的理想流量特性也有差异。必须根据系统特点来选择希望得到的工作特性，然后再考虑配管情况来选择相应的理想特性。
控制阀、全部工艺设备和管路系统上的压差，称为系统总压差。控制阀全开时阀前后压差ΔPmin与系统总压差ΔP之比称为S值，即
从上表可以看出，当S=1-0.6之间时，所选理想特性与工作特性一致。当S=0.6-0.3时，若要求工作特性是线性的应选等百分比，这是因为理想特性为等百分比特性的阀，当S=0.6-0.3时，经畸变的工作特性已经接近线性了；当要求的工作特性为等百分比时，那么其理想曲线应比它更凹一些，此时可通过阀门定位器凸轮外廓曲线来补偿或采用双曲线特性来解决。当S<0.3时，直线特性已严重畸变为快开特性而不利于调节，既使是等百分比理想特性，工作特性也已严重偏离理想特性接近于直线特性，虽然仍能进行调节，但它的调节范围已大大减小，所以一般不希望S值小于0.3。确定阻力比S的大小，应从两个方面考虑：首先应保证调节性能，S值越大，工作特性畸变越小，对调节有利；但S越大说明调节的压差损失越大，造成不必要的动力消耗。一般设计时取S=0.3-0.5之间，对于高压系统考虑到节约动力，允许S=0.15。对于气体介质，因阻力损失较小，一般S值都大于0.5。
3、从负荷变化情况分析
直线特性控制阀在小开度时流量相对变化值大，过于灵敏容易引起振荡，使阀芯、阀座极易受到破坏，在S值小，负荷变化大的场合不宜采用。等百分比控制阀的放大系数随控制阀行程增加而增加，流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷波动有较强的适应性，无论在满负荷或半负荷生产时，都能很好的调节；从制造角度来看也并不困难。在生产过程中等百分比是应用zui广泛的一种。
根据工艺操作参数，选择合理的控制阀尺寸
当我们选定了控制阀的类型和特性之后，就可进一步决定它的尺寸。流通能力是确定控制阀口径的重要依据，从工艺提供数据到算出流通能力，直到阀的口径确定，需经以下几个步骤：
1、计算流量的确定
根据现有的生产能力、设备负荷及介质状况来计算zui大流量Qmax和zui小流量Qmin 。
在计算C值时应按zui大流量来考虑，zui大流量考虑过多的余量时，使控制阀口径偏大；这不但造成经济上的浪费，而且更不利的是使控制阀经常工作在小开度，可调比减小，调节性能变坏，严重时甚至引起振荡，因而大大降低了阀的使用寿命。
在选择zui大流量时，应根据对象负荷的变化及工艺设备的生产能力来合理确定。对于调节质量高的场合，更应以现有的工艺条件来选择zui大流量，但也要注意不能片面强调调节质量，以致当负荷变化以及当现有生产设备经过技改或扩建，当生产能力稍有提高，控制阀就不能适应，即需更换。也就是说，应当兼顾当前与今后在一定的范围内扩大生产能力这两方面的因素，然后合理的确定zui大计算流量。
2、计算压差的决定
根据已选择控制阀的流量特性及系统特点选择S值，然后决定计算压差。
要使控制阀能起到调节作用，就必须在阀前后有一定的压差，阀上的压差占整个系统压差的比值越大，则调节流量特性的畸变就越小，调节性能就能得到保证，但是阀前后压差越大，即阀上的压力损失越大，所消耗的动力越多。因此必须兼顾调节性能和动力消耗，合理地计算压差。系统总压差是指系统中包括控制阀在内的与流量有关的动能损失，如弯头、管件、节流装置、工艺装置、手动阀门等局部阻力上的压力损失。选择控制阀的计算压差主要是根据工艺管路、设备等组成系统的总压降大小及变化情况来选择，其步骤如下：
? 选择系统的两个恒压点，把离控制阀前后zui近且压力基本稳定的两个设备作为系统的计算范围。计算系统内各项局部阻力（除控制阀外）所引起的压力损失的总和ΣΔPF ，按zui大流量分别进行计算，并求出它们的总和。选取S值。S值应为控制阀全开时阀上压差ΔPV和系统中压力损失总和（在zui大流量时）之比，即
S= ΔPV /(ΔPV+ΣΔPF )
S值一般不希望小于0.3，通常选S=0.3~0.5。对于高压系统，考虑到节约动力消耗，允许降低到S=0.15。对于气体介质，由于阻力损失较小，控制阀上压差所占的分量较大，一般S值都大于0.5。但在低压及真空系统中，由于允许压力损失较小，所以仍在0.3~0.5之间为宜。
? 求取控制阀压差ΔPV，按求出的ΣΔPF及选定的S值。由下式求出ΔPV即
ΔPV= S*ΣΔPF/(1-S)
考虑到系统设备中静压经常波动影响阀上压差的变化，使S值进一步下降，如锅炉给水调节系统，锅炉压力波动就会影响控制阀上的压差变化。此时计算压差还应增加系统设备中静压P的5-10%，即ΔPV= S*ΣΔPF/(1-S) +（0.05~0.1）P
这里必须注意，在确定计算压差时，要尽量避免气蚀和噪音。减小和防止气蚀，可以从以下几个方面考虑：
? 上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀 压差。避免空化气蚀的zui根本方法，是使控制阀的使用压差ΔP低于不产生气蚀的zui大压差ΔPC。但要做到这一点比较困难。一般来说，当阀上压差ΔP<1.5MPa时，即使产生气蚀，但对材质的损坏并不严重，不需要采取什么措施。如果ΔP较高，就要设法解决气蚀问题。如：增长节流通道（把阀芯加长、阀座加厚）；在阀座密封面上部增设阻力；减小压力恢复程度；削弱气蚀；也可在阀前、后加装限流孔板吸收一部分压降。
? 材料。一般来说材料越强抗气蚀能力越强，由于气蚀往往发生在金属表面，可在阀芯、阀座、阀杆等处喷镀或堆焊一层硬质金属，这种方法叫表面硬化处理。采用的材料目前有司太莱合金（一种钴铬钨合金。有Site NO12、NO6）、6YC1合金（一种钴铬钨合金）、硬质工具钢、碳化钨等，其中以Site NO12应用。经表面硬化处理后，以奥氏体不锈钢（SUS304、1Cr18Ni9Ti）为例，可提高耐气蚀10倍以上。
在气蚀严重的场合，也可采用整体硬质合金的控制阀。
? 采用高压差防空化控制阀。主要有多级套筒式、多级阀芯式、多级叠板式，均根据多级降压原理制成，用于压差接近于、高于10MPa的场合。如何减小、防止噪音
一般来说控制阀的噪音，来源于三个方向：
? 振动噪音。这一类噪音由共振引起，有的表现为振动强烈噪音不大，有的振动弱噪音非常大，有的振动和噪音都很大。显然，消除共振，噪音自然就随之消失。
? 液体动力学噪音。对控制阀来讲，空化是主要的液体动力学噪音源。空化气泡破损产生高速冲击，使其局部产生强烈喘流，形成空化噪音。这种噪音发出咯咯声，与流体中含有沙石发出的声音相似，应从防止或减小闪蒸、空化上采取措施。
? 气体动力学噪音。当压缩流体通过控制阀的速度大于或等于音速时，便会产生强烈的噪音。速度越大，噪音将明显增大。避免气体动力学噪音的根本办法是限制控制阀节流速度，使之低于音速。
3、流通能力的计算：选择合适的计算公式或图表，根据已确定的计算流量和计算压差，求取zui大和zui小流量时的Cmax 和Cmin值。
4、流通能力C值的选用：根据已求得的Cmax，在所选用的产品型号标准系列中，选取大于Cmax值并与其zui接近的那一级的C值。
5、控制阀开度验算：一般要求zui大计算流量时的开度在90%左右，zui小计算流量时的开度不小于10%。
根据流量和压差计算得到的Cmax值，并按照制造厂提供的各类控制阀的标准系列选定控制阀的口径。因选定的控制阀的C值大于Cmax值，所以需要验算控制阀工作时的开度。
一般zui大流量时控制阀的开度应在90%左右，在zui大开度过小，说明控制阀选的过大，它经常在小开度下工作，造成调节性能下降和经济上的浪费。zui小开度，希望不小于10%，否则，阀芯阀座受流体冲蚀严重特性变坏，甚至失灵。
流量特性不同，阀的相对开度和相对流量的对应关系也不同，理想特性和工作特性又有差别，因此验算开度应根据阀的特性进行。
控制阀流量特性的数学表达式为：
Q/Qmax=f(l/L)
式中 Q/Qmax： 相对流量 控制阀某一开度下的流量与全开流量之比。
l/L ： 相对位移控制阀某一开度阀芯位移与全开位移之比。
6、控制阀可调比的验算：一般要求实际可调比不小于10。
控制阀的可调比就是控制阀所控制的zui大流量与zui小流量之比，也称为可调范围，若以R来表示，则
R=Qmax/Qmin
要注意zui小流量和泄漏量是不同的。zui小流量是指可调流量的下限值，它一般为zui大流量的2-4%；而泄漏量是阀全关时泄漏的量，它仅为zui大流量的0.1-0.01%。
也就是说理想可调比等于zui大流通能力与zui小流通能力之比，它反映了控制阀调节能力的大小，是以结构设计决定的。
控制阀在实际工作中总是与管路系统相串联或与旁路阀并联，随管路系统的阻力变化或旁路阀开启程度的不同，控制阀的可调比也发生相应变化，此时的可调比称为实际可调比。
由于在选择控制阀口径时，已使阀的C值大于计算的Cmax值，特别是在使用时对zui大开度和zui小开度的限制，都会使可调比下降，一般R值只有10左右。此外，还受到工作流量特性畸变的影响，使可调比下降。
当选用的控制阀不能同时满足工艺上zui大流量与zui小流量的调节要求时，除增加系统压力外，可采用两个控制阀进行分程控制来满足可调比的要求。
7、阀座直径和公称直径的决定，验证合适后，根据C值决定。
根据阀杆受力的大小，选择足够推力的执行机构
1、如何选择气动执行机构
选择气动执行机构时主要考虑以下几个因素：
? 一般标准组合的控制阀所规定的允许误差是否满足工艺操作时阀上压降的要求。在大压差的情况下，一般要计算阀芯所受的不平衡力和执行机构的输出力，使其满足：
F≥1.1（Ft+F0）
F ：执行机构的输出力；
Ft：阀芯所受不平衡力；
F0：阀座紧压力，一般按全关时，2Mpa（或200N）估算。
? 执行机构的响应速度是否满足工艺的操作要求。一般应优先选用薄膜执行机构，当薄膜执行机构不能满足上述两项要求时，应选用活塞执行机构。
调节口径大或压差高时，可选用活塞执行机构。
双位式控制阀一般选用无弹簧气动薄膜执行机构。
大转矩蝶阀应选用气动长行程执行机构。
气动薄膜（有弹簧）执行机构的行程规格有10、16、25、40、60、100mm。薄膜有效面积有200、280、400、630、1000、1600cm2六种规格。有效面积越大，执行机构的位移和推力也越大，可按实际需要进行选择。
2、如何选择电动执行机构
? 选择电动执行机构需要注意的问题是：执行机构的输出力或力矩，不但要大于负荷力或力矩，还应合理匹配。
? 直行程执行机构通常用来推动直通单座阀、双座阀、三通阀、角阀等，它直接安装在阀体上与阀杆连接。
? 角行程电动执行机构通常用来推动蝶阀、球阀、偏心旋转阀等，除直接安装在阀体上与阀杆连接外，还可通过连杆、杠杆、钢索等与阀轴连接。要求执行机构的有效角位移与调节机构全开到全关之间的动作范围相同。如有不符，可用改变曲柄长度的办法进行调整。
? 多转式电动执行机构通常用来推动闸阀、截止阀等，它直接安装在阀体上与阀杆连接。
根据需要选择合适的辅助装置
1、气动控制阀的辅助装置有：阀门定位器：包括电气阀门定位器和气动阀门定位器，用于改善控制阀工作特性，实现正确定位。
阀位开关：显示控制阀上、下限的工作位置。
气动保位阀：气源故障时，保持控制阀当时的位置。
三通、四通电磁阀：实现气路的自动切换。
手轮机构：系统故障时，可切换进行手动操作。
气动继动器：使执行机构的动作加快，减少传递时间。
空气过滤减压阀：作为气源过滤、减压之用。
2、需要采用阀门定位器的场合：
? 摩擦力大，需要定位的场合。例如高温、低温控制阀或采用柔性石墨填料的控制阀。
? 缓慢过程需要提高控制阀响应速度的场合。例如，DN≥25mm的单座阀，DN>100mm的双座阀，阀两端压降ΔP>10MPa或入口压力P1>10MPa的场合。
? 分程调节系统和控制阀运行时需要改变气开、气关的场合。
? 需要改变流量特性的场合。
? 调节器比例带很宽，但又要求阀对小信号响应时。
? 采用无弹簧机构的控制阀，例如比例式气动活塞执行机构等。
结束语
石油化工装置中的控制阀的种类和形式多种多样，控制阀的安全保护措施也会出现各种不同的情况。对于控制阀的安全联锁保护中气动控制阀联锁要求的不同形式，就需要考虑到电磁阀的阀体材质、压力等级、允许压差、流通能力、工艺连接形式、电磁阀的触点形式、防爆等级、防护等级等各方面的要求；对于控制阀的安全联锁保护中电动控制阀联锁要求的不同形式，就需要考虑到电子执行机构的形式、电源规格、触点形式、联锁动作的时间等各方面的要求。对于信号失效气动控制阀的安全保护，就需要考虑到气动控制阀的控制信号压力，储气罐的容积、各管路的气压、工艺过程等各方面的要求；对于信号失效电动控制阀的安全保护，就需要考虑到电动控制阀的控制信号类型、电源规格、工艺过程等各方面的要求等。因此在工程设计中考虑安全设计、选型、配置时，必须根据安全保护的设计原则和相关要求，标准规范，结合工艺过程的安全要求，仔细推敲斟酌控制阀安全保护设计的每个环节，确保控制阀在工艺过程发生危险情况下真正发挥安全保护的作用。此外还需考虑控制阀的外泄问题，注意密封垫片的选择。四氟填料，因为工作温度在-40-250℃范围内。当温度上、下限变化较大时，其密封性能变会明显下降，老化快，寿命短，柔性石墨填料可克服这些缺点，使用寿命长。但石墨填料的回差大，zui初使用时会产生爬行现象，对这方面必须有所考虑。采用石棉板作密封垫片，在高温下，其密封性能较差，寿命也短，容易引起外泄；缠绕垫片、“O”形环在高温、高压下密封性能较好。总之，控制阀选型所涉及的问题还比较多，希望通过本文的叙述能使广大同行在控制阀的应用方面有所帮帮助，不当之处给予批评和指教。与本文相关的产品有角式平衡型截止阀设计说明
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