吳劍波

(中昊晨光化工研究院有限公司工程設(shè)計(jì)所，四川 自貢 643201)

智能調(diào)節(jié)閥是自控系統(tǒng)中的執(zhí)行器，智能調(diào)節(jié)閥在化工行業(yè)的廣泛應(yīng)用，是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度的重要環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用效果直接表現(xiàn)在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)上。作為過程控制的終端元件[1]，除調(diào)節(jié)閥自身品質(zhì)、用戶的正確安裝、使用和維護(hù)外，正確地計(jì)算相關(guān)參數(shù)值和恰當(dāng)?shù)倪x型十分關(guān)鍵[2]。

調(diào)節(jié)閥按其所用能源可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)[3]。調(diào)節(jié)閥包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥兩部分。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式和活塞式兩種[4]。筆者主要介紹CV3000氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥的選型與相關(guān)參數(shù)的選擇和計(jì)算。

1.1 固有流量特性

化工行業(yè)過程控制中，要求調(diào)節(jié)閥有大的調(diào)節(jié)范圍，開度和閥的壓差變化也要相對(duì)較大，因此大部分調(diào)節(jié)閥均采用等百分比流量特性[5]。

1.2 材料

閥體耐壓等級(jí)、使用溫度范圍、耐腐蝕性能和材料都不應(yīng)低于工藝連接管道材料的要求，一般選用鑄鋼和鑄不銹鋼材料閥體。如果介質(zhì)為水蒸氣、含水較多的濕氣體或易燃流體，則不宜采用鑄鋼閥體。到目前為止，最耐腐蝕的材料為聚四氟乙烯，且襯聚四氟乙烯閥的成本相對(duì)特殊合金材料閥的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯。因此，在耐腐蝕方面，應(yīng)首選襯聚四氟乙烯的產(chǎn)品；但溫度大于180℃，PN大于1.6MPa時(shí)應(yīng)選用特殊合金材料，且應(yīng)包含接觸介質(zhì)的部分。

1.3 型式、泄漏量、流向和填料材料

在化工生產(chǎn)過程控制中，工藝介質(zhì)的控制要求一般為泄漏量小、流量控制也小且并閥的前后壓差也要小，因此大部分采用單座閥；但在一些特殊工況或公用工程的控制中要求閥前后的壓差大且泄漏量要求不嚴(yán)時(shí)，則采用套筒閥；泄漏量高且溫度不高的采用軟閥座，反之采用金屬閥座；其他也會(huì)有些特殊的閥門，如切斷式O型球閥等，此處不再贅述。

重點(diǎn)討論化工行業(yè)中主要采用的單座閥。單座閥的流向一般采用流開型。單座閥填料一般采用V型聚四氟乙烯，高溫環(huán)境中采用柔性石墨。

1.4 上閥蓋型式

結(jié)合工藝過程，介質(zhì)溫度低于-20℃的采用長(zhǎng)頸型閥蓋，介質(zhì)溫度高于200℃的采用散熱型閥蓋，有毒有害且耐壓等級(jí)要求不高的采用波紋管密封型閥蓋，其他則采用普通型閥蓋。

CV3000調(diào)節(jié)閥分為常溫型、伸長(zhǎng)型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和波紋管密封型，閥蓋型式的選擇與介質(zhì)溫度、特性相關(guān)，根據(jù)具體選型確定。

1.5 口徑的確定原則

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20507-2014，選擇閥尺寸的原則有：一是閥全開時(shí)，應(yīng)至少通過正常流量的1.25倍；二是閥的特性和經(jīng)濟(jì)性。一般情況下，希望在正常流量時(shí)閥的開度范圍：線性閥位70%，等百分比閥位80%。然后計(jì)算出流量系數(shù)C計(jì)值(C計(jì)值是基于正常流量Q和正常流量時(shí)閥上的壓差Δp計(jì)算所得)，適當(dāng)放大后圓整為C選，最后以C選與閥門的選型資料比較來確定閥的口徑。其中圓整放大系數(shù)m=C選/C計(jì)，線性閥的m值不小于1.63，等百分比閥的m值不小于1.97。

結(jié)合CV3000調(diào)節(jié)閥的選型材料，引入Cv值，Cv值是閥處于全開狀態(tài)，兩端壓差為0.07kgf/cm2的條件下，60℉(15.6℃)的清水每分鐘通過閥的美加侖數(shù)?，F(xiàn)給出化工行業(yè)常用的3種相態(tài)介質(zhì)的Cv值計(jì)算方法：

根據(jù)以上不同相態(tài)介質(zhì)Cv值的計(jì)算式可以計(jì)算出Cv值，再根據(jù)Cv進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比選擇，選出更適合的額定Cv值。雖然Cv值的計(jì)算結(jié)果是唯一的，但調(diào)節(jié)閥的類別選擇卻不是唯一的，因此在選擇過程中需要有一定的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的抉擇。

1.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣開關(guān)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇重點(diǎn)要考慮閥全關(guān)的輸出推力滿足一定要求，控制閥關(guān)閉時(shí)應(yīng)有足夠的閥座密封壓力。結(jié)合CV3000調(diào)節(jié)閥選型，主要可以考慮閥座的允許壓差，即控制閥關(guān)閉時(shí)的密封壓力，但由于閥進(jìn)出口壓力條件不準(zhǔn)確，因此可以閥前最大壓力的一定安全倍數(shù)下(一般1.5倍)的允許壓差來選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

氣開和氣關(guān)主要是從工藝安全的角度進(jìn)行考慮的，在CV3000調(diào)節(jié)閥選型中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇已經(jīng)考慮了氣開和氣關(guān)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇還涉及彈簧范圍的選擇，確定工作彈簧范圍涉及計(jì)算輸出力去克服不平衡力。若有困難，應(yīng)將條件(主要是閥關(guān)時(shí)的壓差)告訴制造廠，協(xié)助計(jì)算并調(diào)好彈簧和工作范圍后再出廠。

1.7 附件

調(diào)節(jié)閥的附件有很多，常用的有保位閥、減壓閥、電氣閥門定位器及手輪等。減壓閥主要用于穩(wěn)定接入調(diào)節(jié)閥的氣源壓力，保證閥門的正常運(yùn)行；電氣閥門定位器能使調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，且重要場(chǎng)合需要定位器自帶閥位反饋；保位閥的應(yīng)用也主要是滿足工藝要求，保證閥門事故狀態(tài)處于原開度，維持工藝控制穩(wěn)定；手輪的選擇主要用于大口徑、貴金屬閥門及需要限制開度等的場(chǎng)合，但工藝安全聯(lián)鎖和危險(xiǎn)區(qū)域不應(yīng)設(shè)置。且氣源接口規(guī)格也應(yīng)進(jìn)行核實(shí)，為氣源管的選擇提供有效幫助。

2 選型實(shí)例

在化工公用工程中，水蒸氣的運(yùn)用頗為廣泛。現(xiàn)以水蒸氣介質(zhì)為例進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的選型說明。一個(gè)罐體設(shè)備夾套加熱控制閥的條件：介質(zhì)為飽和水蒸氣，操作溫度150℃，操作密度2.547kg/m3，動(dòng)力粘度0.014mPa·s，泄漏等級(jí)10-3；信號(hào)中斷時(shí)閥位有FC(初始為關(guān)閉)，最大、正常狀態(tài)；最小流量為60、35、0kg/h，閥前全關(guān)/正常/全開壓力(表壓)為0.5/0.4/0.3MPa，閥后全關(guān)/正常/全開壓力(表壓)為0.4/0.3/0.2MPa，管道材料20#碳鋼，管道規(guī)格φ32mm×3mm(DN25mm)。

結(jié)合以上選型原則和CV3000的選型資料，進(jìn)行相應(yīng)的Cv值計(jì)算和其他項(xiàng)的選擇。

根據(jù)以上選型原則，需采用流量特性為等百分比、流向?yàn)榱鏖_型、閥體WCB(鑄鋼)，閥內(nèi)件不銹鋼，閥上蓋型式常溫型，填料材料V型聚四氟乙烯的調(diào)節(jié)閥，由于泄漏量要求不高且溫度偏高則選擇金屬閥座(泄漏量可達(dá)10-4)，再根據(jù)閥工作壓力選擇閥的公稱壓力為PN16，然后通過Cv值確定調(diào)節(jié)閥閥型式、口徑，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣開關(guān)的選擇。

Cv值的計(jì)算。因p1=0.5×100+98.067=598.067kPa，p2=0.4×100+98.067=498.067kPa，Δp=p1-p2=100kPa，p1/2=598.067/2=299.0335kPa，則Δp

由于選用的是等百分比，則m應(yīng)不小于1.97，則圓整后的選型Cv=1.411×1.97≈2.78。其中W為最大流量，kg/h，有65kg/h≥35×1.25=43.75kg/h，則選擇最大流量65kg/h；R為可調(diào)比(一般可選擇50∶1)；98.067kPa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的絕對(duì)壓力值。

與重慶川儀十一廠有限公司生產(chǎn)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選型樣本資料對(duì)比，確定額定Cv=4.0。再根據(jù)經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)選擇公稱通徑DN×閥座直徑dn=25×14。

3 其他參數(shù)的選擇

由于工藝要求信號(hào)中斷時(shí)閥位為關(guān)，則應(yīng)選擇氣開閥，再結(jié)合廠家的標(biāo)準(zhǔn)配置，選擇為小口徑單座閥HLS，執(zhí)行機(jī)構(gòu)HA2R，供氣壓力140kPa，彈簧壓力20～100kPa，對(duì)應(yīng)的允許壓差2MPa，已滿足閥前最大壓力的一定倍數(shù)(此倍數(shù)可按現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，一般按大于1.5倍選擇)。附件根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行相應(yīng)的選擇，可選性價(jià)比高的電氣閥門定位器及減壓閥等。

綜上所述，最后確定的調(diào)節(jié)閥：小口徑單座閥HLS-16K，Cv值為4.0，公稱通徑×閥座直徑=25×14，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為HA2R，供氣壓力140kPa，等百分比流量特性，泄漏量10-4，V型聚四氟乙烯，常溫型上閥蓋型式，金屬閥座，閥體/座/芯材料為WCB/不銹鋼/不銹鋼。附件根據(jù)工藝要求進(jìn)行合理的選擇，且氣源接口也應(yīng)進(jìn)行核實(shí)確定。

調(diào)節(jié)閥的選型是一種很繁瑣的工作，它不僅在其自身的計(jì)算和選擇，更需要有多專業(yè)的協(xié)調(diào)和配合，還應(yīng)考慮安裝的規(guī)范等。

4 結(jié)束語

調(diào)節(jié)閥的選型不僅要有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)，還要有豐富的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)樗婕癈v值的計(jì)算、材料的選擇及工藝條件準(zhǔn)確性的把握等，任何環(huán)節(jié)出錯(cuò)都可能造成選型的失誤，最終導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的控制性能下降，從而影響生產(chǎn)工藝的正常運(yùn)行。掌握了控制閥的選型原則，再加上相應(yīng)的Cv值的計(jì)算，根據(jù)工廠生產(chǎn)的特點(diǎn)，合理選擇，不但可以節(jié)省投資，而且能夠保證生產(chǎn)工藝的安穩(wěn)長(zhǎng)優(yōu)運(yùn)行。

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