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放空調節閥如何選型
發布于：2019/8/23 9:03:14 點擊量：123
在工業自動化控制系統中，調節閥是最為廣泛使用的流體控制設備，也是絕大多數控制回路的終端。因此，在自動控制工程設計中，一定要選好調節閥，使其耐用可靠，靈活可調又能滿足各種HSE的要求。這對調節閥的工程設計選型提出了越來越高的要求。
本文擬就調節閥的放空工況這一難點，結合某催化裂化裝置中富氣壓縮機前的放空調節閥實例，分析和探討氣體放空調節閥的選型和噪音。
1 工藝背景與條件
1.1 工藝簡述及控制要求
催化裂化裝置中的富氣經過分餾塔頂油氣分離器分離后進入富氣壓縮機升壓，富氣壓縮機為汽輪機帶動的離心式壓縮機。壓縮機前壓力如果不穩定，容易導致壓縮機操作曲線變動，變化幅度或變化速率達到一定程度時可引起壓縮機喘振，造成惡性事故。而且，富氣壓縮機前壓力不穩定也會破壞上游分餾塔的平衡，想要再次建立塔平衡需要耗費較長的時間和一定的成本。所以，富氣壓縮機入口設置了壓力控制回路，在壓力高時，打開調節閥放空，維持富氣壓縮機前壓力不高于設定值。另外，還有一臺大口徑放空特種閥與此閥并聯，在壓縮機意外停機時，兩臺閥同時聯鎖打開，保證富氣全部放空時有足夠的泄放流量。
1.2 工藝條件
閥前富氣介質壓力約為0.17MPa（表），閥后0.05MPa（表）；介質溫度40℃；工藝管道管徑DN350；閥門故障位置FO；正常流量240Nm3/min，最大流量300Nm3/min。因業主單位將放空閥門的泄漏量計入考核，故用戶要求將調節閥的泄漏等級定位為FCI70－2定義的VI級。因介質含有部分硫化氫，還需對閥門中接觸介質的部位做NACE防硫化物應力開裂的材料處理。
2 選型過程
在調節閥的選型工作流程中，一般將經過以下重點環節：首先，明確調節閥的工藝需求和工藝條件，確定首要的選型難點；其次，根據難點選擇閥門類型，并可根據計算結果不斷調整優選閥門類型；最后，完善調節閥的規格細節。
2.1 蝶閥的嘗試
本臺調節閥在設計詢價時，首先考慮的是套筒類調節閥。但是，由于用戶在此類裝置的類似位置處有較多蝶閥的使用經驗，所以用戶堅持要選用蝶閥。這樣，各廠家在投標技術文件中，均選擇三偏心結構的蝶閥產品。
眾所周知，蝶閥的流道平滑，是高壓力恢復類的閥門，它的臨界壓差比XT小，在高壓差時容易發生阻塞流。本調節閥經過各廠家的計算，確實有幾家產品已經出現了阻塞流，證明本調節閥的壓差比X雖不算很高（X=0.12/0.27≈0.44），但多數蝶閥已經不再適用。還有的廠家雖然計算上并沒有出現阻塞流報警，但是噪音很大。這是由于在發生氣體的阻塞流時，節流孔附近的介質流速已經接近并達到了音速，所以噪音會非常大。如果噪音很大但沒有發生阻塞流，那么節流孔附近的介質流速很有可能已經接近音速，也就是說雖然沒有形成阻塞流，但已接近阻塞流狀態。在過去，也有工作在阻塞流狀態下的放空閥實例［3］，可是這種選型一方面會產生極大機械振動，巨大的應力會導致相應振動件的材料疲勞和損傷，另一方面還會產生超標的噪音強度，按照現行的噪音衛生標準，是不能接受的。普通蝶閥內介質流動分布見圖1（a）。
按照我國職業衛生標準，新建裝置調節閥的噪音要求控制到85dbA以下，部分放空閥可放寬到90dbA。考慮到本次選型的調節閥在正常生產過程中比普通放空閥的動作頻率要高，暫且要求噪音不超過85dbA。鑒于此，只有某一家的蝶閥滿足噪音要求，約為80dbA。當然此產品的流量計算中沒有出現阻塞流，否則噪音必定超標。
（a）普通蝶閥
（b）特殊設計蝶閥
圖1 普通和特殊設計的蝶閥內介質流動分布示意
此家蝶閥的流道結構見圖1（b），在蝶閥的閥板后緊貼著一片半圓形多孔板，這種獨特的設計結構將多孔降噪結構融合到蝶閥上。對比圖1（a）中的普通蝶閥內介質流動分布，可以發現半圓形多孔板消除了閥板后側的湍流，而不阻擋蝶閥板的開關動作，減少湍流引起的流體波動，最終降低了噪音。多孔孔板在另一方面也對提高閥板后壓力有部分幫助，可產生類似于多級降壓的效果，所以也能部分降低噪音強度。
但是，由于只有一家產品滿足技術要求，其它家沒有能與之比較的產品。故為了避免后續商務上的問題，用戶與設計方一致決定不再局限于蝶閥，更換閥門類型。
2.2 噪音的產生與降噪分析
既然噪音超標成為本放空調節閥的難點問題，那么可以深入討論一下噪音的產生問題。調節閥噪音是由于調節閥在完成調節作用的過程中，產生永久性的壓力損失而導致流體湍流的結果。調節閥的噪音主要來自3個方面：1）機械振動。機械噪音主要來自閥內湍流流體對閥內件的沖擊，造成與其相鄰表面之間的振動而產生噪音；2）氣體動力學噪聲。這是流體流經節流部位時，機械能轉換為聲能的直接結果。3）水力學噪聲。這一類里最主要的是空化噪聲，其它噪聲較輕可忽略。對于本文中的氣體放空閥，不涉及液體介質，故本文忽略整個水力學噪聲。
降低調節閥噪音的途徑：
①對于機械振動引起的噪音，只能通過改善閥本身的結構設計來解決，如增大導桿直徑和減少間隙來限制橫向振動，或者以套筒為導向更好地限制橫向振動，還可以更有針對性地應對具體工況設計閥體避開共振頻率段。
②對于氣體動力學噪聲，氣體動力學噪聲產生的主要區域是在緊靠縮流處下游的恢復區，此處的流動狀態是物相混亂、完全沒有規則和不連續的，具有強烈的湍流和混合作用。解決之道在于降低流速和減弱湍流效果。
a）多級減壓方式。該方式采用多級閥芯，串聯在一起逐級降壓，將壓降分散開，使節流孔處的湍流效果減弱。氣體介質可使用迷宮式閥芯，但流道不能過大，否則對氣體介質沒有多級效果。
b）多孔式節流方式。單流路節流件的聲功率以面積平方的函數關系增加。面積變化1倍就會導致聲功率級相應變化6分貝；同時，當獨立作用的等噪音源數目變化1倍時，聲功率級只變化3分貝。總噪音的減少可以利用許多小節流件與單個或少數幾個大節流件相比較的方法推導出來，噴射相互作用的噪音不會大于每個噴射作用產生的噪音總和。另一方面，由于小孔射流噪聲頻率高，人耳對高頻噪聲的敏感度相對低頻有所降低，即A加權聲壓級分貝低，而一般對噪音的聲壓級量化都是用A加權單位dbA。兩方面合力降低了總噪音的A加權聲壓級。圖2是典型的多孔式套筒結構，小孔基本對稱分布在套筒上。
圖2 典型多孔式套筒結構
c）串聯消聲器。消聲器是一類帶有多個小孔的擴散器，它不僅應用了多孔降噪原理還加大下游管道直徑，減小了出口流速。消聲器安裝在閥門下游管道上。這種降噪方法屬于聲路處理方法，與前文提及的聲源處理方法分屬兩類噪聲方法。具體的氣體動力學噪聲的預測計算可以參照IEC60534－8－3《調節閥的空氣動力噪聲預測方法》。
2.3 最終選型
在剔除蝶閥類的選型并明確降噪為此放空閥需要解決的首要問題后，技術人員將焦點投向了多孔式套筒單座閥。它的典型結構參見圖3，即用多孔式降噪套筒替代普通套筒。有套筒作為導向，可以加強對閥內件橫向振動的限制，減小機械振動及其噪音。同時在套筒上的多孔節流孔能降低氣體動力學噪聲約15dbA。套筒閥的流道與GLOBE閥類似，它的臨界壓差比XT大，故應用于本調節閥不會出現阻塞流情況。
經過不同廠家的計算后，各家多孔式套筒閥都沒有出現阻塞流，預測噪音也基本都小于80dbA，也無需再疊加其它降噪措施，節省了成本。
圖3 多孔式套筒閥結構
其它具體的重要規格項有：
1）閥門流量特性選擇線性。本放空閥的閥上壓降大，幾乎占據了所有系統阻力降，故閥阻比S值接近1，為使實際工作特性為線性，流量特性選擇線性特性為宜。
2）閥門流通能力應給予一定的富裕量，對于線性流量特性的閥門，保證最大開度在70%左右。
3）閥門執行機構動作方式為氣關，而聯鎖時要求閥開，失氣的動作方向一致。故直接在進氣氣路上加放空電磁閥即能滿足聯鎖要求，無需配套氣罐。
4）閥體材質同管道材質，均為普通鑄造碳鋼，閥內件選用高于閥體材質的316不銹鋼，在閥芯上加一定的硬化處理。還有，所有接觸介質的部位都需做NACE防硫化物應力開裂的材料處理。
近幾年，此類閥門越來越多的應用實例也證明，多孔套筒單座閥是一類耐用、實惠的閥門形式，尤其適用了工作氣體放空工況下的調節閥。
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