大口徑高精度控制閥的設(shè)計及應用

徐學陽

(福建福海創(chuàng)石油化工有限公司，福建 漳州 363216)

某大型PX聯(lián)合裝置在開車試運行過程中，由于吸附塔頂部使用的進口品牌高精度流量存在閥門振蕩、響應速度慢、重復精度差等問題，導致塔內(nèi)壓力波動超過了±1%的允許偏差，造成抽出液PX純度不合格，不僅影響裝置的平穩(wěn)運行，同時也給吸附塔帶來安全隱患。為此，工藝、儀表專業(yè)工程師與無錫智能自控工程股份有限公司技術(shù)人員進行了深入的技術(shù)交流，剖析了原閥在使用過程中的故障現(xiàn)象，針對性地從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、零部件材料、控制附件及調(diào)節(jié)參數(shù)等方面進行了仿真與優(yōu)化，按調(diào)整后的方案制造了新的控制閥，確保閥門在工況條件下實現(xiàn)高精度重復定位及流量控制，現(xiàn)場實際應用效果良好。

1 工況條件及使用要求

1.1 工況條件

控制閥的工況參數(shù)見表1所列，介質(zhì)為高壓冷凝液C8芳烴對二乙基苯(液體)，操作溫度175 ℃。

表1 控制閥的工況參數(shù)

1.2 使用要求

針對工況及工藝條件，控制閥的性能須滿足表2的要求。

閥門工作流量循環(huán)如圖1所示。1個周期內(nèi)共有4種流量工況，每種流量工況持續(xù)的時間分別為床層切換周期的3倍、7倍、10倍、4倍，而床層切換周期為75 s，因此閥門的單個工作流量循環(huán)周期為30 min。

表2 性能要求

圖1 閥門工作流量循環(huán)示意

該閥在使用過程中應符合定位速度快、無過沖、重復精度高、流量穩(wěn)態(tài)精度高等特點，對閥門本體、執(zhí)行機構(gòu)、控制單元的設(shè)計和選型均有較高要求。

2 高精度控制閥設(shè)計

2.1 閥本體選型設(shè)計

按文獻[1]要求，經(jīng)開度計算及工藝條件分析進行閥門選型[2]，該控制閥選用DN500×DN360平衡密封型套筒控制閥，套筒為多孔式結(jié)構(gòu)，其額定CV為2 010；調(diào)節(jié)特性為線性，流向為高進底出，以穩(wěn)定閥出口流場，閥芯在流體壓力作用下受力均勻，更有利于閥門的穩(wěn)定動作。

2.1.1內(nèi)腔優(yōu)化

圖2 閥體內(nèi)腔造型示意

內(nèi)腔造型如圖2所示，閥體內(nèi)腔優(yōu)化設(shè)計使流場更穩(wěn)定，內(nèi)腔流阻更低。符合EN558—2008《工業(yè)閥門金屬閥門結(jié)構(gòu)長度尺寸標準》的結(jié)構(gòu)長度給大尺寸直通控制閥的設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)，由于閥座直徑與控制閥總長度的比值變得越來越偏離理想設(shè)計比例，因此按照常規(guī)設(shè)計理念，控制閥的尺寸將會更大，因此將參數(shù)化建模造型技術(shù)運用到控制閥閥體的設(shè)計中，該技術(shù)對于優(yōu)化閥體和流道起到了關(guān)鍵的作用。

經(jīng)過設(shè)計及流量試驗表明，使用參數(shù)化建模技術(shù)優(yōu)化閥體后，控制閥的額定流通能力比優(yōu)化前傳統(tǒng)設(shè)計提高了約5%，流量控制精度提高了20%。

2.1.2節(jié)流套孔分布優(yōu)化

通過詳細計算，優(yōu)化節(jié)流套孔的分布規(guī)律如圖3所示。

傳統(tǒng)的節(jié)流套孔排布方案如圖3a)，采用等孔間距(d)排列，每列孔間距相同，相鄰2列交錯分布，間距為d/2，當開度逐漸增加時，節(jié)流總面積逐步增大，增加率相對平緩，在逐漸接近兩排交界處，節(jié)流總面積變化量對流量變化影響小，流量變化不靈敏。針對該現(xiàn)象，對孔排布進行了優(yōu)化，采用圖3b)排布方案，每相鄰2列孔的間距為d′，形成了逐排逐層等間距的排布規(guī)律，節(jié)流總面積變化率相對較大，從而使流量穩(wěn)步變大，流量調(diào)節(jié)更平穩(wěn)，反映到調(diào)節(jié)性能及調(diào)節(jié)精度上，如圖3c)所示，圖3a)方案的調(diào)節(jié)精度約為1%，優(yōu)化后的圖3b)方案的調(diào)節(jié)精度約為0.3%，從而控制閥的精度大幅提高。

圖3 節(jié)流孔分布規(guī)律示意

2.1.3采用低負載平衡密封環(huán)

結(jié)合該應用工況的壓力及溫度，選用PTFE+U型增能低負載型平衡環(huán)，結(jié)構(gòu)如圖4所示，在滿足關(guān)閉壓差條件下不泄漏，同時降低閥芯動態(tài)及穩(wěn)態(tài)負載約30%，平衡密封環(huán)摩擦力測試數(shù)據(jù)見表3所列。圖4a)中，PTFE中添加二硫化鉬，自潤滑性能好，降低閥芯的運動摩擦力，有助于改善閥門的死區(qū)、回差及性能指標。U型環(huán)材質(zhì)為Inconel 718，彈性好，可靠性高。

圖4 平衡密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意

表3 DN500平衡密封環(huán)摩擦力測試數(shù)據(jù)N

2.1.4降低閥芯和閥桿摩擦力

控制閥閥芯、閥桿摩擦力對調(diào)節(jié)精度影響較大，降低閥芯與平衡環(huán)、閥桿與填料表面摩擦系數(shù)可有效提升閥門的定位及重復精度。表面采用機械擠壓硬化處理后，結(jié)合鏡面拋光工藝，表面硬度值可達到HRC50，硬化層深度約0.5～0.8 μm，表面光潔度為0.2 μm，表面耐磨性能及摩擦系數(shù)均較常規(guī)產(chǎn)品有大幅度提升，同時選用低摩擦V型PTFE填料，進一步提高了閥門動態(tài)性能及響應靈敏度。

2.2 執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

該執(zhí)行機構(gòu)選用DN600缸徑氣動活塞式雙作用執(zhí)行機構(gòu)，并從以下幾個方面進行優(yōu)化設(shè)計，使整機工作效率提高至98%左右。

2.2.1降低活塞組件靜態(tài)及動態(tài)阻力

氣動執(zhí)行機構(gòu)的效率主要取決于活塞密封、導向結(jié)構(gòu)及其效率損失，該執(zhí)行機構(gòu)采用內(nèi)壁珩磨并進行機械擠壓，提高表面光潔度至0.4 μm，同時采用特氟龍表面噴涂工藝，進一步降低活塞O型密封圈及導向帶的摩擦系數(shù)及摩擦阻力，缸體與活塞組件導向結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2.2降低推桿運動阻力

執(zhí)行機構(gòu)推桿導向結(jié)構(gòu)如圖6所示，采用POM材質(zhì)加工而成的雙支撐導向結(jié)構(gòu)，POM具有摩擦系數(shù)低、耐磨損、硬度高的特性，具備良好的支承能力，增強推桿運動穩(wěn)定性，可防止推桿表面與金屬支撐座發(fā)生接觸劃傷現(xiàn)象。其摩擦因數(shù)約為0.17～0.183，自潤滑性好；力學性能優(yōu)異，比強度可達50.5 m2/s2，比剛度可達2 650 m2/s2。

圖5 缸體與活塞組件導向結(jié)構(gòu)示意

圖6 執(zhí)行機構(gòu)推桿導向結(jié)構(gòu)示意

2.3 控制單元設(shè)計及參數(shù)匹配

該控制單元采用Fisher DVC6200定位器，配氣動放大器，控制單元氣路如圖7所示。

圖7 控制單元氣路示意

定位器的關(guān)鍵指標： 帶HART通信協(xié)議，2線制4～20 mA回路供電，過載電流保護，反極性保護，輸出信號范圍為0.04～0.95 MPa；獨立線性度輸出范圍為±0.5%。通過定位器的調(diào)試，能夠達到預期的精度要求。

3 出廠性能測試及現(xiàn)場應用

3.1 出廠性能測試

運用Valvelink軟件對定位器參數(shù)進行了多項匹配和調(diào)試，在空載和常溫狀態(tài)下，階躍曲線、行程時間、重復精度等指標均符合設(shè)計參數(shù)的需求，模擬工況特性曲線及調(diào)節(jié)精度測試結(jié)果如圖8，圖9所示。

3.2 現(xiàn)場應用

閥門在線運行2個月后，由中心控制室監(jiān)測到的實際PID響應曲線來看，調(diào)節(jié)性能及響應速度均能滿足工況條件的要求，閥門運行穩(wěn)定，跟隨性好，該高精度調(diào)節(jié)閥的設(shè)計得到了充分的驗證。

圖8 出廠測試階躍響應曲線-模擬使用工況示意

圖9 出廠測試階躍響應曲線-調(diào)節(jié)精度測試示意

4 結(jié)束語

實際應用表明，國產(chǎn)高精度控制閥能夠達到PX裝置吸附塔對流量調(diào)節(jié)的精確要求，且運行平穩(wěn)可靠。

高精度控制閥的選擇與設(shè)計需要從閥本體、執(zhí)行機構(gòu)、控制單元等三個方面入手，通過降低各部分的摩擦阻力、提高了控制單元的響應速度及閥本體的調(diào)節(jié)精度，包括提高產(chǎn)品的加工工藝水平，閥門的整體水平才能達到裝置的使用要求。