阻塞流工況下控制閥計(jì)算壓差的確定與分析

蘇 菲

（中國石化集團(tuán)上海工程有限公司，上海 200120）

1 前言

但是對(duì)于發(fā)生了阻塞流工況下的控制閥的計(jì)算，以上常規(guī)的計(jì)算壓差ΔP＝P1－P1的確定方式并不適用，會(huì)導(dǎo)致閥門計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致閥門選型過小。下面通過實(shí)例介紹阻塞流工況的判別步驟及其工況下計(jì)算差壓的確定，有利于正確的閥門選型。

在某石化改造項(xiàng)目中，有一臺(tái)閥門是原八十年代設(shè)計(jì)選型的，根據(jù)當(dāng)時(shí)的工藝數(shù)據(jù)，流量18000 kg/h，閥前壓力P1 = 3.3 MPaA，閥后壓力P2 = 0.86 MPaA，壓差ΔP＝P1－P1＝2.44 MPa，結(jié)合溫度密度等參數(shù)，帶入計(jì)算CV值，最后選擇了一臺(tái)CV = 17的2″口徑控制閥。但是這臺(tái)閥門在實(shí)際應(yīng)用中一直偏小，業(yè)主反應(yīng)，即使平時(shí)閥門已經(jīng)全開，但使用中還是感覺偏小，迫切希望本次改造中對(duì)閥門進(jìn)行重新計(jì)算，重新選型，選擇合適的閥門。由于工藝參數(shù)并沒有變化，還是根據(jù)之前的工藝參數(shù)，筆者再次計(jì)算CV值，發(fā)現(xiàn)并沒有什么問題，CV值計(jì)算約等于4.962，選擇CV=17的閥門應(yīng)該綽綽有余，為什么實(shí)際應(yīng)用偏小呢？深入研究后，發(fā)現(xiàn)原來由于閥后壓力P2很小，實(shí)際已經(jīng)發(fā)生了阻塞流（閃蒸）的工況，因此，此時(shí)進(jìn)行CV值計(jì)算時(shí)，ΔP已經(jīng)不等于P1－P2的2.44 MPa，應(yīng)該帶入發(fā)生阻塞流時(shí)的對(duì)應(yīng)的臨界壓降ΔPcr。ΔPcr <ΔP，所以，導(dǎo)致了原先閥門的計(jì)算偏小。

由此可知，通常情況下ΔP＝P1－P2，即控制閥閥前壓力與閥后壓力之差，即如果閥前壓力P1恒定，則ΔP隨著閥后壓力P2的變化而變化，P2越小，則ΔP越大。但如果P2降低到一定的值，經(jīng)過控制閥的流體發(fā)生了阻塞流的情況，ΔP的取值則不再等于P1－P2，需要重新考慮。下面著重討論阻塞流工況下，閥門CV值計(jì)算時(shí)ΔP的取值的問題，進(jìn)一步再判斷閥門是閃蒸工況還是氣蝕工況，以及相應(yīng)工況下的處理措施。

2 阻塞流的判斷

阻塞流：對(duì)于不可壓縮的流體，控制閥閥前壓力P1保持一定時(shí)，逐步降低閥后壓力P2時(shí)，流過控制閥的流量會(huì)逐漸增加，但當(dāng)閥后壓力P2降低到某一數(shù)值后，流過控制閥的流量到達(dá)一個(gè)最大極限值Qmax，這時(shí)再降低P2，就不能使通過控制閥的流量再增加了。這個(gè)通過控制閥流量的最大極限值就是阻塞流（chocked flow）。如圖1所示。

圖1 流量與閥門兩端壓降的關(guān)系

因此，P2越小，導(dǎo)致實(shí)際控制閥兩端的壓降大于阻塞流對(duì)應(yīng)的臨界壓降ΔPcr時(shí)，會(huì)發(fā)生阻塞流，即ΔP > ΔPcr時(shí)，閥門CV值的計(jì)算就不能采用工藝給的要求壓降ΔP來計(jì)算了，而應(yīng)該采用阻塞流對(duì)應(yīng)的臨界壓降ΔPcr。也就是說，如果發(fā)生了阻塞流，仍然用閥前后壓差P1－P2帶入計(jì)算CV值的話，會(huì)使得ΔP變大，導(dǎo)致CV計(jì)算變小，最終導(dǎo)致閥門選小了，這是在工程設(shè)計(jì)中所不希望看到的。因此，對(duì)于可能發(fā)生阻塞流工況的閥門，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算時(shí)需要特別注意，首先要確認(rèn)是否確實(shí)發(fā)生阻塞流，從而選擇正確的ΔP取值。

對(duì)于不可壓縮流體，當(dāng)流體節(jié)流時(shí)，流速增大，壓力降低，最大流速處具有最小壓力。但是，當(dāng)節(jié)流后，流束的截面積并沒有立即擴(kuò)大，而是繼續(xù)縮小，因此，最大流速并不在節(jié)流處，而是在節(jié)流處下游某處，此處稱為靜縮流處，該處壓力最小，稱為Pvc。之后，隨著流束截面的擴(kuò)大，壓力增高，流速降低，但最終的出口壓力不可能再恢復(fù)到入口壓力P1，而為P2。即流過控制閥后壓力得到恢復(fù)，但也存在不可恢復(fù)的壓力損失：ΔP＝P1－P2。如圖2所示。

圖2 靜縮流處示意圖

不可壓縮流體發(fā)生阻塞流的原因是由于流體經(jīng)過控制閥后，經(jīng)過節(jié)流，壓力會(huì)逐漸減小，當(dāng)壓力減小到小于流體的飽和蒸汽壓Pv，使部分液體汽化，此后即使壓力再減小，流量也不再增加了。這樣就發(fā)生了阻塞流。

對(duì)于不可壓縮的流體，發(fā)生阻塞流的條件是下式成立：

上式中，ΔP＝P1－P2，由工藝提出，顯而易見。所以，重點(diǎn)是如何計(jì)算ΔPcr的大小。下面具體討論。

3 ΔPcr的計(jì)算

發(fā)生阻塞流時(shí)，ΔPcr＝P1－Pcr ＝FL2(P1－Pvcr )，式中有兩個(gè)參數(shù)未知，Pvcr和FL，下面分別進(jìn)行討論。

3.1 Pvcr

當(dāng)發(fā)生阻塞流時(shí)，其靜縮流處最大流速對(duì)應(yīng)的最小壓力Pvc用Pvcr表示。Pvcr與液體的介質(zhì)物理特性有關(guān)：

式中，Pv是液體的飽和蒸汽壓。FF是液體的臨界壓力比系數(shù)，是液體在入口溫度下液體的飽和蒸汽壓Pv和液體的臨界壓力Pc 之比的函數(shù)，

由上式可知，F(xiàn)F只和液體的物理性質(zhì)有關(guān)，和閥門的其他參數(shù)無關(guān)。

進(jìn)而可知，Pvcr也只和液體的飽和蒸汽壓Pv和液體的臨界壓力Pc有關(guān)，和其他參數(shù)無關(guān)。流過控制閥的液體一旦確定，Pvcr 的值也就確定了。

3.2 FL

FL即壓力恢復(fù)系數(shù)，是用來表示控制閥內(nèi)部流體流經(jīng)縮流處后，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓的恢復(fù)能力。

FL是與閥門和流路特性有關(guān)的函數(shù)。例如，IEC推薦計(jì)算CV值時(shí)，直通單座柱塞閥的流開流向時(shí)，取FL=0.9，流關(guān)流向時(shí)，取FL=0.8；偏心旋轉(zhuǎn)閥在任意流向時(shí)，取FL=0.85。FL越小，表示該控制閥流路設(shè)計(jì)越好，其壓力恢復(fù)系數(shù)越好，即經(jīng)縮流后，靜壓能夠恢復(fù)到接近入口壓力。例如，蝶閥的FL在0.5～0.68之間，為高壓力恢復(fù)閥，直通閥FL在0.8～0.9之間，為低壓力恢復(fù)閥。通常，工藝提出的ΔP越大，即P1和P2差值越大，則選用低壓力恢復(fù)閥比較合適。

這樣，就可以比較ΔP和ΔPcr的大小，對(duì)于不可壓縮的液體，發(fā)生阻塞流的條件是：

下面再回到本文開頭的那個(gè)實(shí)例，根據(jù)以上分析，筆者重新計(jì)算了這臺(tái)閥門的CV值，其中CV值計(jì)算中帶入上式（1）的ΔP＝ΔPcr＝(P1－FFPv)，其中根據(jù)IEC的推薦取FL=0.9，飽和蒸汽壓Pv＝2.81 MPaA，臨界壓力Pc = 4.62 MPaA，計(jì)算后可得ΔPcr＝0.985 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工藝所提的ΔP＝2.44 MPa，這樣再計(jì)算出的CV值＝10.3，最終閥門選型的結(jié)果：選擇了CV值＝44的4″口徑控制閥。相比較之前選擇的CV值＝17的2″口徑閥門，新選擇的閥門無論是口徑還是CV值都大了許多，也難怪原來的閥門在實(shí)際應(yīng)用中一直偏小。也就是說，一旦工藝所提的ΔP≥0.985 MPa，那就是已經(jīng)發(fā)生了阻塞流工況，這時(shí)不管工藝給出的P2多小，帶入進(jìn)行CV值計(jì)算的ΔP都不再變化，都等于0.985 MPa，這樣才能計(jì)算出正確的閥門CV值，進(jìn)行正確的閥門選型。

通過下表1，可以更加清楚的看到這臺(tái)閥門在之前八十年代沒有進(jìn)行阻塞流判斷，采用常規(guī)算法而導(dǎo)致閥門選型口徑過小的問題。

表 實(shí)例中閥門計(jì)算是否判斷阻塞流情況導(dǎo)致的差異

4 閃蒸和氣蝕工況

對(duì)于閥門來說，一旦ΔP > ΔPcr，發(fā)生阻塞流后，就要考慮閃蒸和氣蝕兩種工況。這時(shí)，再根據(jù)閥后壓力P2和流體飽和蒸汽壓力Pv的大小來進(jìn)行判斷。因此，在首先判斷ΔP > ΔPcr的情況下：

（1） 若P2 < Pv，靜縮流處的壓力Pvc直到閥出口靜壓P2一直小于流體的飽蒸汽壓Pv，部分液體會(huì)發(fā)生相變，液體會(huì)蒸發(fā)為氣體，形成氣液兩相的狀態(tài)，就稱為閃蒸（flashing）；

（2） 若P2 > Pv，首先靜縮流處的壓力Pvc低于Pv，發(fā)生閃蒸，部分液體會(huì)發(fā)生相變，液體會(huì)蒸發(fā)為氣體，在液相中產(chǎn)生氣泡，接下來下游壓力恢復(fù)，逐漸增加，到閥出口壓力P2又大于流體的飽和蒸汽壓Pv，則之前形成的氣泡又潰裂回復(fù)為液相，這種氣泡產(chǎn)生又破裂的全過程就稱為氣蝕（cavitation）。

具體如圖3所示：

圖3 閃蒸和氣蝕工況閥門前后壓力變化示意圖

也就在可能發(fā)生阻塞流的工況下的閥門計(jì)算，工藝必須提供飽和蒸汽壓Pv，臨界壓力Pc等流體的物性參數(shù)，便于儀表專業(yè)進(jìn)行ΔPcr的計(jì)算，從而判斷ΔP 和 ΔPcr的大小，確認(rèn)是否發(fā)生阻塞流。若確實(shí)發(fā)生阻塞流，進(jìn)而再判斷閥后壓力P2和飽和蒸汽壓Pv的大小，確認(rèn)到底是發(fā)生閃蒸工況還是氣蝕工況。

還是本文開頭的那個(gè)實(shí)例，由上述的判別步驟得知，此閥門已經(jīng)發(fā)生的阻塞流的工況。再根據(jù)工藝所提的閥后壓力P2=0.86 MPaA < 飽和蒸汽壓Pv =2.81 MPaA，因此不難看出，此閥門已發(fā)生了閃蒸工況，這是一臺(tái)閃蒸閥。

4.1 閃蒸工況

閃蒸工況可能無法避免，因?yàn)檫@是工藝要求的。例如：液體氣化邊做冷卻劑，物料進(jìn)塔前閃蒸分離等。但是對(duì)于控制閥來講，閃蒸會(huì)對(duì)閥門的閥芯產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞外，其特點(diǎn)是受沖刷表面有平滑拋光的外形，如圖4所示。沖刷最嚴(yán)重的地方，一般是在流速最高處，通常位于閥芯和閥座環(huán)的接觸線上或附近。

圖4 閃蒸破環(huán)的典型外形圖

因此，對(duì)于會(huì)發(fā)生閃蒸工況的閥門選型來講，因?yàn)殚W蒸無法避免，所以，最好的辦法是采用合適的幾何形狀和材料的閥門來盡可能減小破壞。主要如下：

（1）選擇合適的控制閥類型和流向。不同的控制閥和流向，其壓力恢復(fù)系數(shù)不同，選用FL大的閥門類型和流向，可以防止發(fā)生阻塞流。例如，對(duì)易于汽化的液體，不宜選用高壓力恢復(fù)的球閥或蝶閥，可以選用低壓力恢復(fù)的單座閥。

（2）將這些表面盡可能硬化。通常來說，材料越硬，抗沖刷越久。

（3）降低沖刷性流體的速度。設(shè)計(jì)合理的流路，降低下游流體的流速，從而降低沖刷速度。例如：控制閥下游設(shè)置擴(kuò)徑管等。

4.2 氣蝕工況

氣蝕工況是應(yīng)該盡量避免的，因?yàn)檫@時(shí)閥門內(nèi)部發(fā)生了液變氣，氣再變液的過程，而當(dāng)氣體變回液體時(shí)，由于氣泡破裂而釋放大量的能量，噪聲、振動(dòng)和沖蝕也同時(shí)產(chǎn)生，這種情況下閥門的壽命會(huì)大大的縮短。典型工況如鍋爐給水泵的旁路閥。

氣蝕的破壞特點(diǎn)是受沖刷表面有粗糙的煤渣狀外形，如下圖5所示。他明顯不同于由閃蒸沖刷引起的平滑拋光外形。

圖5 氣蝕破環(huán)的典型外形圖

由前面的分析可知，氣蝕是由于靜縮流處Pvc小于Pv，而閥后P2又大于Pv所導(dǎo)致的。因此，消除和降低氣蝕發(fā)生的措施如下：

（1）控制壓降，避免氣蝕發(fā)生從而防止破壞。例如：采用多級(jí)降壓的方式，使控制閥的壓降分為幾級(jí)，而每級(jí)的壓降都確保不使緊縮流處的Pvc小于飽和蒸汽壓Pv，從而消除氣泡的產(chǎn)生，也就不會(huì)產(chǎn)生氣蝕了。

（2）若氣蝕無法消除，那就盡可能減少或隔離其破壞，采用與閃蒸解決方案類似的方法，例如：提高材質(zhì)硬度，降低流速等，把氣蝕造成的影響降到最小。

（3）采用合理的工藝系統(tǒng)，合理的分配工藝管路壓力，提高閥后壓力P2，使緊縮流處Pvc也提高，一旦Pvc提高到飽和蒸汽壓Pv以上，就不可能發(fā)生阻塞流，也就不會(huì)發(fā)生氣蝕了。例如：將控制閥安裝在下游有較高靜壓的位置，增設(shè)限流孔板等。

5 結(jié)束語

在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行液體控制閥閥門CV值計(jì)算時(shí)，要特別注意ΔP的取值。如果閥后壓力P2減小到發(fā)生了阻塞流工況，ΔP的取值就不等于閥門前后壓差，而應(yīng)該等于發(fā)生阻塞流時(shí)的臨界壓降ΔPcr。選擇正確的的ΔP的取值，可以有效的避免CV計(jì)算過小，導(dǎo)致的閥門選型過小問題。并且一旦判斷出確實(shí)發(fā)生了阻塞流工況，還可以進(jìn)一步判斷出是閃蒸工況，還是氣蝕工況，從而采用正確的處理措施，選擇正確的閥門類型，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。

[1] 何衍慶，邱宣振，楊潔，王為國. 控制閥工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 費(fèi)希爾控制設(shè)備有限公司.《控制閥手冊(cè)》，第三版. 2010.