控制閥優(yōu)化選型對(duì)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的影響

高明玉

(中國(guó)石化股份有限公司發(fā)展計(jì)劃部，北京100728)

控制閥作為控制回路的最終執(zhí)行元件，選型計(jì)算是否正確直接影響控制回路的控制品質(zhì)，關(guān)系到工藝裝置能否長(zhǎng)周期運(yùn)行?？刂崎y選型計(jì)算的關(guān)鍵是計(jì)算控制閥的CV值，選擇控制閥的型式和口徑。國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及一些有影響力的閥門制造商的手冊(cè)均提供了控制閥選型計(jì)算的流程和計(jì)算公式，內(nèi)容基本相同。通過IEC等提供的控制閥選型計(jì)算流程和計(jì)算公式，完成控制閥的選型計(jì)算，即可選出滿足工況需求的控制閥[1]。

在選型計(jì)算過程中，需要使用各種工況條件下的流量、溫度、壓力、壓差、密度、動(dòng)力黏度等工藝參數(shù)，因此準(zhǔn)確的工藝參數(shù)是控制閥選型計(jì)算的基礎(chǔ)。如果工藝參數(shù)出現(xiàn)了重要工況遺漏或者錯(cuò)誤，將直接導(dǎo)致控制閥計(jì)算選型錯(cuò)誤。由于工藝裝置在開車階段、正常運(yùn)行階段、運(yùn)行異常以及停車階段會(huì)出現(xiàn)不同的工況，這也給確定控制閥的工藝參數(shù)帶來了困難。在多個(gè)項(xiàng)目的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，壓差參數(shù)比較容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，并且會(huì)對(duì)控制閥的計(jì)算與選型造成較大的影響。本文分析了某SNG項(xiàng)目中甲烷合成裝置的2臺(tái)控制閥出現(xiàn)的問題，進(jìn)一步論證壓差對(duì)控制閥計(jì)算與選型的影響，并提出了優(yōu)化選型方案，滿足了裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

裝置界區(qū)外鍋爐給水經(jīng)控制閥FV001A和FV001B調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入鍋爐水加熱器E001，經(jīng)鍋爐水加熱器加熱后進(jìn)入汽包。在正常運(yùn)行階段，則通過開工給水調(diào)節(jié)閥FV001A調(diào)節(jié)；在開車階段，則通過開工給水調(diào)節(jié)閥FV001B調(diào)節(jié)。鍋爐給水工藝流程如圖1所示。

圖1 鍋爐給水工藝流程示意

圖1中，來自甲烷合成反應(yīng)器出口的產(chǎn)品氣進(jìn)入余熱鍋爐B001，在B001中產(chǎn)生蒸汽，部分回收甲烷合成反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，之后產(chǎn)品氣進(jìn)入蒸汽過熱器E002，進(jìn)一步回收熱量。汽包出口的飽和蒸汽也進(jìn)入E002過熱，經(jīng)控制閥PV001A調(diào)節(jié)后，送出裝置界區(qū)。當(dāng)汽包出現(xiàn)超壓或蒸汽品質(zhì)不合格時(shí)，蒸汽經(jīng)放空控制閥PV001B減壓后放空至大氣。

2 控制閥出現(xiàn)的問題

甲烷合成裝置投用后，F(xiàn)V001B和PV001B便出現(xiàn)了一些問題，影響了裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

FV001B在開車時(shí)閥門噪音較大且出現(xiàn)了振動(dòng)現(xiàn)象。裝置投用一段時(shí)間后，將FV001B下線拆解，發(fā)現(xiàn)閥桿出現(xiàn)裂痕，閥芯出現(xiàn)很多粗糙凹坑。

PV001B在使用時(shí)，存在壓力控制不穩(wěn)、壓力波動(dòng)、閥門噪音較大等問題，并且出現(xiàn)多次閥門無法開啟的情況。

3 開工給水調(diào)節(jié)閥問題分析

3.1 原始設(shè)計(jì)參數(shù)

按照原設(shè)計(jì)圖紙，F(xiàn)V001B采用口徑DN80、額定CV值100、流量特性為等百分比的Globe控制閥。FV001B對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)詳見表1所列。

表1 FV001B原設(shè)計(jì)工藝參數(shù)

根據(jù)表1中所列工藝參數(shù)，依照IEC的計(jì)算方法進(jìn)行初步計(jì)算，閥門在最大和最小工藝參數(shù)值時(shí)的CV計(jì)算值分別為35.3和8.9，閥門開度分別為73.4%和38.1%，與原設(shè)計(jì)圖紙中的計(jì)算結(jié)果基本吻合。

3.2 故障原因分析

根據(jù)氣蝕損壞的特點(diǎn)，結(jié)合FV001B閥芯出現(xiàn)很多粗糙凹坑、開車時(shí)噪音較大且出現(xiàn)振動(dòng)、閥桿出現(xiàn)裂痕等現(xiàn)象，基本可以判斷是氣蝕導(dǎo)致閥門損壞[2]。

根據(jù)節(jié)流原理，不可壓縮流體在節(jié)流時(shí)流速增加而靜壓降低，經(jīng)節(jié)流后流束截面并不立即擴(kuò)大，而是繼續(xù)縮小到一個(gè)最小值，該處的流速最大且靜壓最低，稱為縮流斷面。之后隨著流通截面的擴(kuò)大，流體流速減慢，靜壓回升，稱為壓力恢復(fù)。而壓降Δp為不可恢復(fù)的壓力損失?？s流斷面處的壓力pVC為節(jié)流過程中最低的靜壓，如果該處的流速增加到足夠大，那么pVC將會(huì)降低到閥門入口溫度下的流體飽和蒸汽壓pV以下，此時(shí)部分流體就會(huì)氣化成氣體或蒸氣，形成氣泡[3]。流體流出節(jié)流區(qū)后，壓力回升，若壓力回升不超過入口溫度下的流體飽和蒸氣壓，即p2≤pV，那么流體還將繼續(xù)氣化，在閥門出口形成氣液共存的現(xiàn)象，即兩相流，該現(xiàn)象稱為閃蒸。若壓力回升后p2>pV，氣泡破裂恢復(fù)為液體，該現(xiàn)象稱為氣蝕，氣蝕工況下控制閥的壓力變化趨勢(shì)如圖2所示。在氣泡破裂的瞬間，氣泡原來占有的空間就形成具有高真空的空穴，液體在高壓差的作用下，以極快的速度流向空穴，形成有沖擊力的微噴射流和壓力波。由于氣泡中的氣體和蒸氣來不及在瞬間全部溶解和凝結(jié)，因而在沖擊力的作用下又分成小氣泡，再被高壓力的流體壓縮，出現(xiàn)了凝結(jié)、破裂現(xiàn)象，如此形成多次反復(fù)。如果氣泡的破裂發(fā)生在閥內(nèi)件的表面處，會(huì)對(duì)材料表面造成高頻沖擊，所形成的沖擊力高達(dá)幾百甚至上千牛頓，沖擊頻率可達(dá)幾萬(wàn)赫茲，從而使材料產(chǎn)生疲勞并導(dǎo)致機(jī)械損壞。氣蝕后材料損壞具有煤渣似的粗糙外形，而閃蒸后材料損壞其外形非常光滑類似于細(xì)的噴砂表面[4]。

圖2 氣蝕工況控制閥的壓力變化趨勢(shì)示意

查閱原設(shè)計(jì)圖紙，閥門的原始選型計(jì)算似乎沒有問題，那么很可能是工藝參數(shù)和實(shí)際操作工況存在偏差所致。與裝置的工藝人員溝通了解到，開車前汽包的表壓約為0.3 MPa，開車時(shí)一般通過開工蒸汽將汽包和余熱鍋爐進(jìn)行預(yù)熱，開車后，汽包的表壓將逐漸升高至4.78 MPa。同時(shí)，F(xiàn)V001B的出口壓力也隨著汽包壓力的升高而逐漸變化，從初始的0.4 MPa升高至4.88 MPa。從表1可知，F(xiàn)V001B的入口壓力為6.37 MPa，該閥門剛開車時(shí)的壓差高達(dá)5.97 MPa，與完成升壓后的壓差1.49 MPa相比，差距較大。

根據(jù)式(1)所示的氣蝕判定公式重新核算FV001B的相關(guān)選型參數(shù)，依據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否是氣蝕導(dǎo)致了閥門損壞。ΔpC定義為閥門初始?xì)馕g壓差，即閥門開始出現(xiàn)氣蝕時(shí)的壓差，當(dāng)閥門實(shí)際壓差大于ΔpC時(shí)，閥門將開始出現(xiàn)氣蝕。

(1)

KC為閥門的初始?xì)馕g指數(shù)[5]，閥門原設(shè)計(jì)選型為Globe閥，KC值約為0.7。根據(jù)式(1)計(jì)算得到的ΔpC為4.19 MPa，說明FV001B的p2從0.4 MPa升壓至2.18 MPa期間，閥門都工作在氣蝕狀況；p2高于2.18 MPa后，氣蝕現(xiàn)象才消失。因此，可以確定閥門是由于氣蝕導(dǎo)致的損壞，同時(shí)也是氣蝕現(xiàn)象導(dǎo)致了閥門振動(dòng)和較大的噪音。

3.3 優(yōu)化閥門選型方案

根據(jù)3.2節(jié)的分析，解決該閥門問題的最佳途徑就是消除氣蝕。按照式(1)可以得到兩個(gè)優(yōu)化方案： 在p1不變的前提下提高p2，使p1-p2<ΔpC；選用KC值更大的閥門。

3.3.1第一種方案

該方案可以通過在閥門下游增加節(jié)流部件以提高p2，具體實(shí)施時(shí)有2個(gè)方法： 在閥門出口增加限流孔板[6]，將下游的工藝閥關(guān)小。

1)在閥門出口增加限流孔板具有改動(dòng)工作量較小、投資低等優(yōu)點(diǎn)。由于最大流量約為最小流量的4倍，那么確定限流孔板的孔徑非常困難。因此，該方法的缺陷也較明顯。如果限流孔板孔徑按照小流量的工況設(shè)置，則大流量工況時(shí)，p2將會(huì)明顯偏大，將導(dǎo)致閥門流通量受阻，閥門可調(diào)范圍大幅縮小。如果限流孔板的孔徑按照大流量的工況設(shè)置，則小流量工況時(shí)，p2將會(huì)明顯偏小，起不到消除氣蝕的作用。另外，p2是逐漸升高的，限流孔板只能適用于低壓工況，無法適用于高壓工況。因此，在流量變化范圍較大，或p2變化較大的工況下，在閥門出口增加限流孔板是不太合適的。

2)將下游的工藝閥關(guān)小的方法，在改動(dòng)工作量和投資方面更有優(yōu)勢(shì)，雖然該方法可以克服p2變化和流量變化造成的困難，然而該方法也存在缺陷。工藝閥需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員手動(dòng)操作，當(dāng)p2和流量一直處于變化狀態(tài)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作響應(yīng)很難滿足工況變化的需求。在開車階段，余熱鍋爐的負(fù)荷和壓力一直在提升，p2和流量也一直在增加，存在操作困難的問題，因此也不宜采用該方法。另外，工藝閥為普通的截止閥或閘閥，存在操作不當(dāng)或降壓偏大造成氣蝕轉(zhuǎn)移甚至損傷工藝閥的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2第二種方案

該方案采用抗氣蝕專用控制閥[7]，該類閥門的KC值接近1，具有非常好的抗氣蝕效果，但是抗氣蝕專用控制閥的價(jià)格較高。目前各大控制閥制造廠均有專門用于氣蝕工況的抗氣蝕控制閥，其工作原理是通過抗氣蝕閥內(nèi)件，對(duì)流體進(jìn)行逐級(jí)減壓，把閥門的壓差分成多級(jí)較小的壓差，確保每級(jí)降壓的縮流斷面處的pVC大于入口溫度下流體的pV，最終抑制氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，避免對(duì)閥門造成損壞，提高了閥門的整體使用壽命[8]。該方案是解決工藝過程中控制閥氣蝕問題的較優(yōu)方案。

抗氣蝕控制閥的閥內(nèi)件常用的有多級(jí)迷宮式套筒和糖葫蘆串式閥芯兩種型式。

1)多級(jí)迷宮式套筒的結(jié)構(gòu)屬于多流道多級(jí)降壓式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有流道面積小(孔徑小)、降壓級(jí)數(shù)多、可承受的壓差大等特點(diǎn)，具有非常好的抗氣蝕性能。但由于流道的面積較小，該結(jié)構(gòu)只適用于干凈介質(zhì)，如存在固體顆粒將容易導(dǎo)致流道堵塞。

2)糖葫蘆串式閥芯的結(jié)構(gòu)屬于單流道多級(jí)降壓式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)也具有較好的抗氣蝕性能，相較于多級(jí)迷宮式套筒，降壓級(jí)數(shù)略少，可承受的壓差也略小一些。由于該結(jié)構(gòu)具有流道路徑簡(jiǎn)單、流道面積大(孔徑大)、不易堵塞等特點(diǎn)，因此該結(jié)構(gòu)也適用于臟污介質(zhì)。

流經(jīng)FV001B的介質(zhì)為鍋爐給水，非常干凈，因此該次優(yōu)化選型推薦采用多級(jí)迷宮式套筒結(jié)構(gòu)的抗氣蝕控制閥。開車過程中FV001B共有6種工況下的工藝參數(shù)，即小流量的大壓差、中壓差、小壓差工況，大流量的大壓差、中壓差、小壓差工況，工藝參數(shù)詳見表2所列。

表2 FV001B開車過程中6種工況的工藝參數(shù)

3.3.3優(yōu)化閥門的選型計(jì)算

依據(jù)表2的參數(shù)和新選閥門的型式，重新計(jì)算CV值，計(jì)算過程如下：

首先判別流體是否為阻塞流，對(duì)于液體工況，發(fā)生阻塞流的條件是式(2)成立。

Δp≥Δpcr

(2)

式中： Δpcr——出現(xiàn)阻塞流時(shí)，閥門的前后壓差；FL——實(shí)際所選閥門的壓力恢復(fù)系數(shù)；FF——液體臨界壓力比系數(shù)，可由式(3)計(jì)算得到：

(3)

1)如式(2)成立，則說明屬于阻塞流工況，CV值計(jì)算公式為

(4)

式中：qV——體積流量，m3/h；ρ/ρ0——相對(duì)密度，對(duì)于15.5 ℃的水，ρ/ρ0=1；常數(shù)N=8.65×10-1。

2)如式(2)不成立，則說明屬于非阻塞流工況,CV值計(jì)算公式為

(5)

式(5)和式(4)的差別僅在于使用Δp還是使用Δpcr參與計(jì)算[9]，計(jì)算時(shí)需要特別注意FL值需從實(shí)際所選閥門的樣本中查找或向閥門制造商咨詢，否則將直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

經(jīng)過計(jì)算，表2中6種工況下的CV計(jì)算值依次分別為4.5，5.3，8.9，17.8，21.3，35.6，可知CV值的變化范圍較大，第6種工況的CV值約為第1種工況的8倍。因此，在選擇閥門額定CV值或閥門口徑時(shí)應(yīng)特別注意閥門開度范圍的問題。SH/T 3005—2016《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)直行程控制閥開度范圍作出了明確要求，詳見表3所列。

表3 直行程控制閥開度范圍

抗氣蝕控制閥的流量特性通常為線性，表3中線性控制閥的最小開度不應(yīng)小于15%。因此，建議FV001B的額定CV值不大于30，顯然無法滿足第6種工況的要求。基于最大開度不超過80%考慮，F(xiàn)V001B可以滿足最大流量123 m3/h工況下閥后表壓升壓至3.1 MPa的控制需求，該工況的計(jì)算CV值約為24。最大流量工況下表壓升至3.1 MPa之后，考慮切換使用主控制閥FV001A。主控制閥原設(shè)計(jì)采用DN150，額定CV值280，流量特性為等百分比的Globe閥。經(jīng)過計(jì)算，在此時(shí)切換，主控制閥的開度為37%，能夠滿足閥門的開度要求，且閥門p2已經(jīng)大于2.18 MPa，避開了氣蝕區(qū)域，因此切換方案是可行的。

4 蒸汽放空控制閥問題分析

4.1 原始設(shè)計(jì)情況

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙，PV001B采用DN350，額定CV值5 360的蝶閥。工藝參數(shù)詳見表4所列。

表4 PV001B原設(shè)計(jì)工藝參數(shù)

根據(jù)表4工藝參數(shù)，依照IEC的計(jì)算方法進(jìn)行初步計(jì)算，閥門在最大工況下的計(jì)算CV值為2 556，閥門開度為61.1%，與原設(shè)計(jì)圖紙中的計(jì)算結(jié)果基本吻合。

4.2 故障原因分析

根據(jù)PV001B使用時(shí)存在的壓力控制不穩(wěn)、壓力波動(dòng)、閥門噪音較大，以及多次出現(xiàn)閥門無法開啟的情況，基本上可以判斷是實(shí)際的壓差遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)的壓差造成的。

經(jīng)與裝置的工藝人員詳細(xì)溝通，PV001B出口的管線只連接了1臺(tái)放空消音器，然后直接放空至大氣。放空消音器和閥門出口的工藝管線不會(huì)產(chǎn)生太大的壓降，根據(jù)估算，p2按照0.5 MPa考慮已經(jīng)足夠。按照原設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)，閥門的壓差為0.1 MPa，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)的壓差為4.28 MPa，因此閥門出現(xiàn)這些問題的原因也就非常清楚了。

4.3 優(yōu)化閥門選型方案

根據(jù)4.2節(jié)的原因分析，原設(shè)計(jì)按照小壓差選用了蝶閥，而實(shí)際上蝶閥并不適用于大壓差工況，且蝶閥沒有降噪的功能。因此基于閥門壓差大、噪音大的工況環(huán)境，推薦選用低噪音型籠式閥[10]。

根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行工況，PV001B的工藝參數(shù)詳見表5所列。

表5 PV001B實(shí)際運(yùn)行的工藝參數(shù)

現(xiàn)根據(jù)表5的參數(shù)重新計(jì)算CV值，計(jì)算過程如下：

1)首先判別流體是否為阻塞流，對(duì)于蒸汽工況，發(fā)生阻塞流的條件是式(6)成立：

X≥FKXT

(6)

式中：X——壓差比，X=Δp/p1；FK——比熱容比系數(shù)，F(xiàn)K=k/1.4；XT——實(shí)際所選閥門的臨界壓差比系數(shù)。

a)如式(6)成立，則說明屬于阻塞流工況，CV值計(jì)算公式如式(7)所示：

(7)

式中： 常數(shù)N11=15.3；qm——質(zhì)量流量，kg/h。

b)如式(6)不成立，則說明屬于非阻塞流工況，CV值計(jì)算公式如式(8)所示：

(8)

式中： 常數(shù)N10=27.3；Y——膨脹系數(shù)，Y=1-X/3FKXT。

2)計(jì)算時(shí)需要特別注意XT值需從實(shí)際所選閥門的樣本中查找或向閥門制造商咨詢，否則將直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

經(jīng)過計(jì)算，該工況的計(jì)算CV值為666.3，與原始設(shè)計(jì)相比差別較大，在選擇閥門額定CV值或閥門口徑時(shí)除了需注意閥門開度，還需注意兩個(gè)問題：

a)SH/T 3005—2016規(guī)定： 用于泄放、放空等脈動(dòng)或間歇操作的控制閥的最大脈沖噪聲限值不得超過105 dB。因此，在確定閥門的最終選型時(shí)，應(yīng)計(jì)算閥門的噪聲。

b)該工況僅考慮了汽包完成升壓之后的放空，并未考慮開車過程中的放空。因此，應(yīng)該由工藝工程師計(jì)算出開車過程中放空的工藝參數(shù)，并進(jìn)一步核算CV值、開度、噪音，再最終確定閥門口徑。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上文的分析，2臺(tái)閥門無法滿足工況的需求，均是由于壓差參數(shù)不正確造成的。FV001B是工藝參數(shù)沒有考慮到開車過程中的大壓差，致使原設(shè)計(jì)控制閥的選型計(jì)算沒有識(shí)別出存在氣蝕，導(dǎo)致了閥門損壞。PV001B是由于工藝參數(shù)沒有核實(shí)清楚閥門使用時(shí)的壓差，導(dǎo)致了閥門選型錯(cuò)誤，影響了裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

筆者通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行了梳理，分析了產(chǎn)生問題的原因，說明了差壓對(duì)控制閥計(jì)算選型的影響[11]，提出了2臺(tái)控制閥的優(yōu)化選型方案，滿足了裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求。