搜索
调节阀在泵回路中的工艺计算及特点丁轶东摘要：调节阀是化工装置中重要的组成部分，在控制系统中起着关键作用。合理的计算和选型，是整个化工装置稳定运行的基础。本文主要介绍了一些常见调节阀的特性，结合本人在实际工作中的经验心得，分析了在泵的回路中，调节阀工艺计算的方法与特点，同时例举了一些泵回路中各种调节阀的特性。关键词：调节阀；泵回路；工艺计算；工程设计1.前言调节阀是化工自动化控制系统中常用的一种执行器，通常一套自动控制系统是由控制对象、检测仪表、控制器、执型器等部分所组成。调节阀与流体直接接触控制流体的压力或流量，通过流通面积的变化来改变管道特性曲线，从而达到控制的目的。计算精确合理的调节阀工艺参数，选取正确的调节阀的结构型式、流量特性、执行机构的输出力矩与行程，对于自动控制系统的精确稳定性、经济合理性起着至关重要的作用。调节阀作为最终的执行器，在控制系统中起着关键作用。合理的选型和正确的计算，是阀门能长期稳定运行的基础。如果工艺参数计算错误，形式选择不当，将直接影响控制系统的功能，甚至导致自动控制失败。自动控制系统中因为调节阀参数计算错误，形式选取不当，使得自动控制系统不能正常运行的事例很多。因此，在自动控制系统的设计计算过程中，调节阀的工艺计算及设计选型必须认真对待，它是设计的重要环节。正确选取符合控制系统要求的调节阀，必须深入了解系统的工艺特性，掌握流体力学的基本理论，充分理解调节阀的结构型式及其特性，对控制对象和控制系统逻辑十分了解。选取调节阀的重点是阀径选择，而阀径的正确选择在于流通能力的准确计算，流通能力的准确计算依赖于工艺参数的精确推导，然后根据实际工艺特点，选择合理的调节阀参数。2.调节阀的介绍如图1所示，调节阀从工艺设计的角度，通常分为：泵主路控制调节阀，泵最小回流调节阀，温度控制调节阀，液位控制调节阀，压力平衡调节阀，气相调节阀。图1典型调节阀回路图调节阀按执行机构分类，又可以分为：气动，电动和液压三类，其中以气动的应用最为普遍。气动执行机构又可分为气动薄膜式和气缸式俩大类，后者由于输出力矩大，常用于高压差和切断场合[1]。调节阀的常规分类是根据阀体的类型，从以往的经验看，阀体的选型是调节阀选用中最重要的一个环节，下表列出常用调节阀的一些优缺点及应用场合[2]。类型泄漏量流量系数允许压差应用场合口径范围直通单座阀小小中等3“及以下阀门，强负荷工况1~16双座阀大大大压差大，但对泄漏量要求不高1~12套筒阀中等中等中等介质干净，无颗粒1~16角阀小小很大高压差，悬浮物工况1~6三通阀中等大中等代替两个单座阀1~10蝶阀中等很大小大口径，低压差2~96球阀很小大中等开关切断场合1~24表1常用调节阀的优缺点及应用场合调节阀的固有流量特性：调节阀的固有流量特性表明了阀门的有效流通面积是如何随开度的变化而变化的，有快开，先行，等百分比以及抛物线等几种，工程上以前三种为最多，选择适当阀门的流量特性，目的是为了稳定控制[3]。特性曲线见下图2：图2调节阀特性曲线他们的典型应用有：1.快开特性：在小开度范围内，流量随开度的变化率最大，而随着开度的增加，流量的变化率急剧减小。主要应用于需要对阀门开度反应快速的场合。2.线形特性：在0~100%开度内，流量随开度的变化率为常数，主要应用于液位控制等系统增益为常数的控制回路，正常流量时，相对开度最好为50%~60%。3.等百分比特性：在小开度内，流量随开度变化率增加得很少，但随着阀门开度的增加，变化率快速增加，此类阀门主要用于压力，流量和温度控制场合，如换热器的温度控制等，正常流量时的阀门相对开度最好为70%~80%。3.调节阀在泵的回路中的作用一个典型的泵的回路通常包含：主路流量调节阀，支路温度或流量调节阀，最小回流线调节阀。他们各自在流程图中的通常安装位置见图1。主回路流量调节阀的作用是根据不同的工况，调节泵的处理量。通常在做调节阀工艺计算时，对于泵会考虑正常工况，最大工况和停车工况，此三种工况下的流量是不一样的，主要通过主回路调节阀来控制。支路温度或流量调节阀的目的是为了达到下游用户的要求，通过调节安装在各支路上的调节阀流通量，满足工艺要求。最小回流线调节阀安装在泵的最小回流线上，它不同于最小回流限流孔板，通常处于关闭状态，仅当泵的流量达到最小回流设定值时，它才会打开，从而起到保护泵或者工艺所要求的回流要求。4.调节阀在泵的回路中的工艺计算泵回路中的所有调节阀，都需要先满足主导回路的要求，计算主导回路上的调节阀参数，然后根据主导回路在各个节点的工艺参数，再计算其他回路上的调节阀的参数。通常计算步骤如下：（1）根据系统工艺特点，确定主回路。在泵最大流量时，根据经验或者项目要求，给定主回路上调节阀的压降值，推算泵的工艺参数，选取合适的泵的工作曲线。（2）在主回路上，由选定泵的工作曲线，根据水力学方程，推算正常工况及停车工况下的调节阀参数。（3）在泵的主回路上，建立泵的子回路水利学方程，由选定的泵工作曲线，推算子回路上各调节阀在不同工况下的工艺参数。（4）建立泵的最小回流线水利学方程，根据泵工作曲线，计算得到最小回流量下的回流调节阀的工艺参数。4.1主回路中的计算该案例需要考虑3种不同工况，最大量为400m3/hr，正常量为350m3/hr，停车量为250m3/hr，这3种工况通常由流程工艺以及项目决定。具体工艺流程如下图3案例：图3泵回路调节阀控制图对于泵PU-001，它有两条回路。回路1：包含换热器EX-001和EX-002以及调节阀FV-100和TV-202A。回路2：仅包含换热器EX-001以及调节阀FV-101和TV-202B。根据经验以及实际模型配管，确定回路1是主回路。然后跟据该回路的实际配管，建立水利学计算模型（使用软件或者Excel自编压降程序），获得泵的工艺参数，选取合理的泵的工作曲线。在做泵的计算前，回路上的过滤器，换热器等的压降是可以从厂商那里获取的（通常使用最大允许压降），但调节阀的压降等参数也是待计算的。此时就需要先设定一个合理的调节阀压降初始值，根据经验或者项目要求，通常会假设在最大流量工况下，主导回路上的调节阀压降，该案例中选取（如图示为FV-100和TV-202A）的压降为0.6bar（因为在最大量工况下，经过调节阀的压降通常是最小的，选取0.6bar不至于浪费太多动力在调节阀上，同时保证了阀门的开度也不会太大，有较合理的调节空间。）这样就可以先完成泵的选型（对于泵的工艺计算，只需要计算最大工况下的主回路就可以，因为泵只有满足最苛刻的条件，才能有足够的流量及回路调节空间）。与此同时对于主回路上的调节阀FV-100和TV-202A，它们的最大流量工况的工艺参数也确定了：在最大流量400m3/hr的条件下，压降为0.6bar。通过建立的水利学计算模型，也可以读取调节阀上游压力，通过调节阀的流速等参数。然后基于最大流量工况，接下去计算正常量下的工艺参数：如图3所示，根据选取的泵工作曲线，可以读取在正常量下泵的扬程，如图示中B点的扬程分别为43m，然后输入正常工况下的流量到泵回路水利学模型中。注意：此时过滤器，换热器等的压降也会随流速的下降而下降，不同流量下的设备压降需要根据厂家提供的参数或者根据下面的公式（1-1）推算不同流量下新的压降：21212QQPP（1-1）2P=推算出的压降1Q=最大流量2Q=新的流量1P=最大流量下的压降在正常量的水利学模型中，迭代主回路中调节阀的压降，使得泵的压头等于工作曲线上的扬程43m为止。该调节出的压降即是正常量下的压降。同时通过水利学模型，也可以读取该调节阀的上游压力。这样便确定了正常工况下的工艺参数。图3泵工作曲线通常在泵的回路中，随着流量的减少，水利学压力损失就会减少，但是泵的扬程会增加。这样多出来的压力差就需要靠调节阀来负担。所以随着流量的减少，调节阀的上游压力和压力差会逐渐增大。使用同样的方法可以计算停车量下的调节阀工艺参数。在该案例中，调节阀的压降是主回路中所有调节阀的压降和。具体哪个调节阀负担多少压降，需要根据工艺要求作出判断。譬如在该案例中，因为主路上的调节阀用于调节流量，需要更快速的响应，所以需要主路上承担更压降，而换热器支路上的调节阀用于调节温度，需要更精确的调节控制，所以通常承担较少的压降。由于调节阀总的压降确定了，那么主路上的调节阀FV-100的压降值设定好后，支路上的调节阀TV-202A的压降也随之确定。4.2子回路中的计算对于子回路-回路2中调节阀的计算，同样利用上面的案例。从子回路分离点P1开始，在主回路水利学模型中建立子回路水利学模型。由于泵的工作曲线已经确定，所以只要在子回路水利学模型中迭代调节阀TV-202B的压降，使得泵的压头达到泵工作曲线扬程即可。因为在计算主回路时，主路上的调节阀FV-100在最大，正常和停车3种工况下的工艺参数已经确定，所以在子回路的计算中，只需要迭代调节阀TV-202B的压降即可，而不需要迭代整条回路的压降。当泵的压头达到泵工作曲线的扬程时，此时所迭代出来的调节阀压降即为所要计算的压降值。同时调节阀上下游压力，流速等工艺参数也可以通过子回路水利学模型来读取。同时也需要注意的是：不同流量下过滤器，换热器等的压降也会下降，需要根据厂家参数或者根据公式1-1推算不同流量下新的压降。4.3最小回流回路中的计算在计算最小回流回路时，通常控制逻辑此时的设定功能是只有最小回流线是运行的。例如在本案例中，最小回流回路为从泵到回流线接入点A，返回至调节阀FV-101，再返回V-001。所以先在泵的主回路水利学模型上，从最小回流线接入点A开始，建立回流水利学模型至回流线返回点B。将工艺所需的最小回流量，案例中为150m3/hr，输入至水利学模型，迭代调节阀FV-101的压降，使得泵的压头满足工作曲线扬程即可。此压降即是回流调节阀FV-101的压降，调节阀上下游压力，流速等工艺参数也可通过水利学模型读取。需要说明的是，对于最小回流调节阀，不存在其他工况，只有最小回流量一种工况。通常在泵的最小回流回路上不存在换热器等设备，所以不需要推算新的流量下的压降值，但是如果有过滤器等设备，还是需要根据厂家参数或者根据公式1-1推算不同流量下新的压降。5.调节阀在泵的回路中的工艺特点对于泵的回路中的调节阀，通常有如下特点：（1）主路上的调节阀，需要流量随开度的变化率大，通常需要负担较大的压降，可以选择快开特性调节阀。（2）支路上的调节阀，需要较为精确控制流量，可以选择等百分比特性阀门，将调节阀操作范围控制在小开度范围内。（3）最小回流线上的调节阀，通常流量较小，对流量精确控制要求不高，上游压力和压差较大。（4）最小回流线上的调节阀通常选择气关，这样在失气时阀门全开，可以起到保护泵的目的，避免对泵造成伤害。（5）通常泵的回路上的调节阀的压降不会达到产生阻塞流的工况。但是对于某些低蒸汽压的情况，可能会在调节阀后产生两相流，因此这种情况需要仔细分析物性和调节阀前后状态，同时在调节阀数据表中加以注明。（6）对于泵的回路上的控制阀，一般噪声水平不高，不需要防噪。6.结论本文通过对泵的回路中的各种的调节阀的工作特点进行分析，结合实际案例阐述了如何对不同类型的调节阀进行合理的工艺计算，并分析了泵回路中各种调节阀的工作特点。调节阀的正确计算和合理选择决定着化工装置能否稳定运行，随着现代化工装置自动化程度越来越高，一个稳定正确的自动化执行者，在整个装置中的作用愈发显得重要。这里只是总结了一些在项目设计中的经验，希望对类似案例的项目设计能提供借鉴和帮助。参考文献[1]蒋蔚孙，愈金寿编著.过程控制工程.第2版.中国石化出版社，1999[2]陆德民主编.石油化工自控设计手册.化工工业出版社，2000[3]REFININGCONTROLVALVE.API-553-1998