控制閥阻塞流分析

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之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹控制閥阻塞流分析本文詳細(xì)論述調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的成因及其對(duì)生產(chǎn)所帶來(lái)的影響和危害，分別闡述如何通過(guò)計(jì)算判斷分析調(diào)節(jié)閥是否出現(xiàn)了這3種現(xiàn)象，以及發(fā)生的是其中的哪一種或幾種，并結(jié)合實(shí)例對(duì)其進(jìn)行判斷分析并提出解決方案。給工程設(shè)計(jì)人員的閥門選型提供參考。
關(guān)鍵字：調(diào)節(jié)閥 閃蒸 空化 阻塞流 選型

1 什么是調(diào)節(jié)閥的閃蒸、空化及阻塞流
1.1 不可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現(xiàn)象
當(dāng)不可壓縮流體（通常指液體），通過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)，根據(jù)伯努利方程可知，流道變化，截面積越小流速越大，靜壓越低。根據(jù)圖2，當(dāng)閥前壓力P1一定，而閥后壓力P2逐漸降低時(shí)，縮流斷面的壓力Pvc低于該流體在入口溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生汽泡出現(xiàn)兩相流，縮流斷面后伴隨著流道截面積的擴(kuò)大，動(dòng)壓越來(lái)越大，如果閥后壓力不能恢復(fù)到飽和蒸汽壓以上，則汽泡不會(huì)破裂，并伴隨液體流出調(diào)節(jié)閥，這個(gè)過(guò)程叫做閃蒸；若P2恢復(fù)到飽和蒸汽壓以上，則閥后汽泡破裂，這個(gè)過(guò)程叫做空化或者汽蝕；如果縮流斷面的壓力Pvc繼續(xù)降低，閥后的氣相將繼續(xù)增加，到某一時(shí)刻，流量將達(dá)到極限值，此時(shí)，無(wú)論如何降低閥后壓力都不能增加流量大小，此時(shí)的流動(dòng)狀況稱為阻塞流。通俗地說(shuō)，阻塞流就是閥后氣相迅速增加，導(dǎo)致物料體積快速膨脹，在管道管徑的限制下，無(wú)法及時(shí)流通即為阻塞流。由于閃蒸、空化的這種特點(diǎn)，某些工段工藝會(huì)利用閥門的閃蒸和空化來(lái)達(dá)到霧化或者將物料氣化的目的。
1.2 控制閥阻塞流分析可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現(xiàn)象
氣體在低流速時(shí)屬于不可以壓縮流體，其熱力狀態(tài)的變化可以忽略，但在高速流動(dòng)下（如大于0.3馬赫時(shí)），氣體的壓縮效應(yīng)不能忽略，其熱力狀態(tài)也發(fā)生明顯變化，氣體運(yùn)動(dòng)既要滿足流體力學(xué)定律，也要滿足熱力學(xué)定律。當(dāng)可壓縮流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)，根據(jù)伯努利方程，由于流道的變化，截面積越小流速越大，靜壓越低；但是如果當(dāng)縮流口已經(jīng)達(dá)到臨界流速時(shí)，此時(shí)伯努利方程不再適用，根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)，此時(shí)情況恰恰相反，閥后截面越大，流速越快，氣體膨脹，此時(shí)無(wú)論閥門兩端壓差怎樣提升，流量也不會(huì)改變，而是恒定不變，這種現(xiàn)象稱為可壓縮流體的阻塞流。由于可壓縮流體本身就是氣態(tài)，所以沒(méi)有閃蒸和空化現(xiàn)象。
2 閃蒸、空化及阻塞流的危害與處理
2.1 調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的危害
閥門的閃蒸、空化zui重要的特點(diǎn)是流體伴隨著兩相流，流出調(diào)節(jié)閥，這個(gè)過(guò)程叫做閃蒸；若P2恢復(fù)到飽和蒸汽壓以上，則閥后汽泡破裂，這個(gè)過(guò)程叫做空化或者汽蝕；如果縮流斷面的壓力Pvc繼續(xù)降低，閥后的氣相將繼續(xù)增加，到某一時(shí)刻，流量將達(dá)到極限值，此時(shí)，無(wú)論如何降低閥后壓力都不能增加流量大小，此時(shí)的流動(dòng)狀況稱為阻塞流[1]。 通俗地說(shuō)，阻塞流就是閥后氣相迅速增加，導(dǎo)致物料體積快速膨脹，在管道管徑的限制下，無(wú)法及時(shí)流通即為阻塞流。由于閃蒸、空化的這種特點(diǎn)，某些工段工藝會(huì)利用閥門的閃蒸和空化來(lái)達(dá)到霧化或者將物料氣化的目的。
1.2 可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現(xiàn)象 氣體在低流速時(shí)屬于不可以壓縮流體，其熱力狀態(tài)的變化可以忽略，但在高速流動(dòng)下（如大于0.3馬赫時(shí)），氣體的壓縮效應(yīng)不能忽略，其熱力狀態(tài)也發(fā)生明顯變化，氣體運(yùn)動(dòng)既要滿足流體力學(xué)定律，也要滿足熱力學(xué)定律。當(dāng)可壓縮流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)，根據(jù)伯努利方程，由于流道的變化，截面積越小流速越大，靜壓越低；但是如果當(dāng)縮流口已經(jīng)達(dá)到臨界流速時(shí)，此時(shí)伯努利方程不再適用，根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)，此時(shí)情況恰恰相反，閥后截面越大，流速越快，氣體膨脹，此時(shí)無(wú)論閥門兩端壓差怎樣提升，流量也不會(huì)改變，而是恒定不變，這種現(xiàn)象稱為可壓縮流體的阻塞流。由于可壓縮流體本身就是氣態(tài)，所以沒(méi)有閃蒸和空化現(xiàn)象。
2 閃蒸、空化及阻塞流的危害與處理
2.1 調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的危害 閥門的閃蒸、空化zui重要的特點(diǎn)是流體伴隨著兩相流，而氣泡在發(fā)生破裂或者向內(nèi)爆炸的瞬間，氣泡原來(lái)占據(jù)的空間就會(huì)形成高真空空穴，液相在這種差壓作用下，以*的速度填充氣泡原來(lái)的空間，形成具有沖擊力的微噴射和壓力波，而閥門的流道往往不會(huì)是直通的，由于這種閥芯的阻擋，很多沒(méi)有來(lái)得及溶解、凝結(jié)和破裂的氣泡，在撞擊的作用下，變成更多的小氣泡，這些氣泡在閥門的流路和閥內(nèi)件表面被壓縮、凝結(jié)和破裂，并產(chǎn)生一種砂石流過(guò)閥門的噪聲，這種周而復(fù)始的能量釋放，猶如水滴石穿，會(huì)慢慢撕裂材料或者造成材料的剝落。閃蒸破壞的特點(diǎn)是受沖刷表面有平滑拋光的外形，而空化則會(huì)造成流道或者閥內(nèi)件類似于煤渣的粗糙表面。阻塞流工況下常常伴隨高噪音，在現(xiàn)實(shí)工況環(huán)境下，還往往伴隨著流體的腐蝕作用，這種多重作用下的損害往往比單一作用產(chǎn)生的危害更加強(qiáng)大[2,3]。 閃蒸和汽蝕現(xiàn)象可能出現(xiàn)阻塞流，而當(dāng)閥門出現(xiàn)阻塞流的情況下，肯定伴隨著閥門的閃蒸，如果閥后壓力高于入口溫度下的飽和蒸汽壓，還會(huì)出現(xiàn)空化。閥門的閃蒸、空化產(chǎn)生噪音的物理過(guò)程中也會(huì)引起振動(dòng)，如果閥門安裝位置、零部件固定等對(duì)振動(dòng)敏感的因素比較突出，那么在這種現(xiàn)場(chǎng)劇烈的地方可能會(huì)對(duì)閥門產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至引發(fā)安全事故。由圖1可以清楚地看到，在閥門的選型計(jì)算中，如果不考慮阻塞流的情況，那么計(jì)算出來(lái)的流量與真實(shí)狀況將嚴(yán)重不符，這將直接導(dǎo)致選型不準(zhǔn)。所以對(duì)閥門的閃蒸、空化及阻塞流的判斷分析，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)減小和排除它們的危害對(duì)于工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
2.2 調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的處理 處理的方法基本分為兩大類： 治標(biāo)的方法： 1）通過(guò)選用硬度更高的材料制作閥內(nèi)件，閥門能更好地應(yīng)對(duì)惡劣工況，有效延長(zhǎng)閥門使用壽命。 2）選擇相對(duì)合理的閥門類型及流向，因?yàn)殚y門的壓力恢復(fù)系數(shù)與流道結(jié)構(gòu)及流向息息相關(guān)，壓力恢復(fù)系數(shù)的大小直接決定了閥門閥后壓力的恢復(fù)情況，進(jìn)而決定了閥門差壓及閥后的兩相流環(huán)境，因此在同樣的工況條件下，選擇壓力恢復(fù)系數(shù)低的單座閥要比選擇壓力恢復(fù)系數(shù)高的球閥或者蝶閥能更好地控制閥后氣相，從而減輕或防止出現(xiàn)空化或阻塞流。 3）當(dāng)閃蒸或氣蝕發(fā)生時(shí)，由于部分介質(zhì)氣化，體積增大，應(yīng)適當(dāng)選擇更大流通系數(shù)的閥門。 治本的方法： a）根據(jù)上文論述，不難理解，有效控制縮流處的壓力與閥門入口處飽和蒸汽壓的關(guān)系是關(guān)鍵所在。因此，通過(guò)工藝的角度提高閥前后壓力或者降低流體溫度都可以有效控制閃蒸、空化及阻塞流。 b）對(duì)于氣體的阻塞流現(xiàn)象，可通過(guò)降低流體流速或者提高閥后壓力的方法來(lái)控制，采用多級(jí)閥芯或者閥后添加限流孔板等方式，讓閥后形成憋壓，控制前后差壓在不出現(xiàn)閃蒸、空化及阻塞流的范圍內(nèi)，如此多級(jí)遞減，直至達(dá)到后續(xù)工況要求。當(dāng)然同樣的方法也適用于不可壓縮流體[4]。 需要指出的是，當(dāng)工藝條件一定時(shí)，閃蒸是不可避免的，而氣蝕或阻塞流是可以避免的。

圖1 P1恒定時(shí)Q與√△p的關(guān)系曲線

圖2 閥內(nèi)壓力梯度圖
2.2 調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的處理
處理的方法基本分為兩大類：
治標(biāo)的方法：
1）通過(guò)選用硬度更高的材料制作閥內(nèi)件，閥門能更好地應(yīng)對(duì)惡劣工況，有效延長(zhǎng)閥門使用壽命。
2）選擇相對(duì)合理的閥門類型及流向，因?yàn)殚y門的壓力恢復(fù)系數(shù)與流道結(jié)構(gòu)及流向息息相關(guān)，壓力恢復(fù)系數(shù)的大小直接決定了閥門閥后壓力的恢復(fù)情況，進(jìn)而決定了閥門差壓及閥后的兩相流環(huán)境，因此在同樣的工況條件下，選擇壓力恢復(fù)系數(shù)低的單座閥要比選擇壓力恢復(fù)系數(shù)高的球閥或者蝶閥能更好地控制閥后氣相，從而減輕或防止出現(xiàn)空化或阻塞流。
3）當(dāng)閃蒸或氣蝕發(fā)生時(shí)，由于部分介質(zhì)氣化，體積增大，應(yīng)適當(dāng)選擇更大流通系數(shù)的閥門。
治本的方法：
1）根據(jù)上文論述，不難理解，有效控制縮流處的壓力與閥門入口處飽和蒸汽壓的關(guān)系是關(guān)鍵所在。因此，通過(guò)工藝的角度提高閥前后壓力或者降低流體溫度都可以有效控制閃蒸、空化及阻塞流。
2）對(duì)于氣體的阻塞流現(xiàn)象，可通過(guò)降低流體流速或者提高閥后壓力的方法來(lái)控制，采用多級(jí)閥芯或者閥后添加限流孔板等方式，讓閥后形成憋壓，控制前后差壓在不出現(xiàn)閃蒸、空化及阻塞流的范圍內(nèi)，如此多級(jí)遞減，直至達(dá)到后續(xù)工況要求。當(dāng)然同樣的方法也適用于不可壓縮流體。
需要指出的是，當(dāng)工藝條件一定時(shí)，閃蒸是不可避免的，而氣蝕或阻塞流是可以避免的。
3 閃蒸、空化及阻塞流的計(jì)算判斷與分析

3.1 需要了解幾個(gè)參數(shù)和概念
如圖2所示，
P1=閥前壓力
P2=閥后壓力
PV=閥門入口溫度下的飽和蒸汽壓
PVC=縮流斷面壓力
PVCR=縮流斷面阻塞流臨界壓力
PC=液體臨界壓力液體臨界壓力比系數(shù)FF：
 （1）壓力恢復(fù)系數(shù)FL（見(jiàn)圖2-1）：
 （2）比熱容比系數(shù)FK：（注：K為比熱容比系數(shù)） （3）臨界壓差比XT：
 （4）
（注：P1、P2為發(fā)生阻塞流時(shí)的閥前后壓力）壓差比X：
 （5）
（注：閥壓降與閥入口壓力之比）
3.2 不可壓縮流體的閃蒸、空化的判斷
 （6）
根據(jù)式（5）可知，由于FL可以由閥門廠家樣本或者相關(guān)資料查得，而P1、PV可以很方便地從工藝給出的數(shù)據(jù)中得知，此時(shí)的△P為發(fā)生閃蒸、空化的臨界條件，如果差壓P1-P2的值大于△P，則發(fā)生了閃蒸、空化，相反則未發(fā)生。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如果P1-P2大于則可能出現(xiàn)閃蒸，用此方法快速判斷閥門閃蒸情況。
而進(jìn)一步判斷是處于閃蒸、空化的哪個(gè)階段，則需要由閥后壓力P2來(lái)進(jìn)行判斷，如果P2小于PV則只發(fā)生了閃蒸；P2大于PV則既發(fā)生了閃蒸，也發(fā)生了空化。
3.3 不可壓縮流體阻塞流的判斷與計(jì)算
 （7）
根據(jù)式（6），若差壓P1-P2的值小于△P，則不會(huì)產(chǎn)生阻塞流；若差壓P1-P2的值大于△P，則會(huì)產(chǎn)生阻塞流。
3.4 可壓縮流體阻塞流的判斷與計(jì)算
對(duì)于可壓縮流體，因?yàn)椴淮嬖陂W蒸和空化現(xiàn)象，所以直接討論其阻塞流的判斷與計(jì)算。
 （8）
若X<FK*XT則不會(huì)出現(xiàn)阻塞流，若X≥FK*XT則會(huì)出現(xiàn)阻塞。
3.5 兩相流體阻塞流的判斷與計(jì)算
對(duì)于兩相流體混合均勻，且液體與氣體不發(fā)生相變的情況下，判斷阻塞流是否發(fā)生，比較困難，但是有兩個(gè)情況可以肯定，即氣體百分比為零和氣體百分比為的時(shí)候，是否形成阻塞流。由此可得如果式（7）和式（8）同時(shí)成立則可判斷有阻塞流形成。
4 實(shí)例
某煤制甲醇項(xiàng)目，甲醇合成工段，甲醇分離器放空管線循環(huán)氣調(diào)節(jié)閥，根據(jù)工藝要求選擇單座套筒調(diào)節(jié)閥，工藝參數(shù)如表1所示。
表1 調(diào)節(jié)閥工藝參數(shù)表

上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥由于是氣體介質(zhì)，故不用考慮閃蒸和空化的問(wèn)題，直接引用式（8）判別是否出現(xiàn)阻塞流的情況。
查表1可得進(jìn)口單座套筒型流開(kāi)閥門的臨界壓差比XT=0.7

FK*XT=1.025*0.7=0.7175
由上可得X>FK*XT則會(huì)發(fā)生阻塞流
也可以反推，設(shè)臨界狀態(tài)下的閥門壓降為x
由求得x=3.37225Mpa
P2=4.7-3.37225=1.32775Mpa
即將閥后壓力控制在1.32775Mpa以上，方可達(dá)到防止阻塞流的目的。
根據(jù)上文介紹的處理方法和前面計(jì)算數(shù)據(jù)，選擇了多級(jí)套筒導(dǎo)向型單座調(diào)節(jié)閥，通過(guò)八級(jí)降壓，使每一級(jí)降壓都不致發(fā)生阻塞流，并對(duì)閥芯進(jìn)行了熱處理，以加強(qiáng)其硬度，多管齊下，確保安全。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)閥門的閃蒸、空化和阻塞流的成因和判別給出了相對(duì)系統(tǒng)的闡述，在工程設(shè)計(jì)中雖然有利用閃蒸來(lái)達(dá)到汽化目的的工藝，但對(duì)于常規(guī)工況，仍然需要減小它們的危害。當(dāng)前，多家廠商的閥門計(jì)算軟件都自帶阻塞流提醒功能。因此，在閥門選型中，只要加以注意，當(dāng)出現(xiàn)閃蒸、空化和阻塞流時(shí)，采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施，可優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約成本，zui重要的是可以提高閥門壽命，確保生產(chǎn)安全。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有角式平衡型截止閥設(shè)計(jì)說(shuō)明