調(diào)節(jié)閥和限流孔板聯(lián)合應(yīng)用工況的計(jì)算分析

羅軍，榮彥棟，陳洪沛，楊曉鹿

(中科合成油工程有限公司，北京 100028)

1 調(diào)節(jié)閥與限流孔板組合原理及其工程應(yīng)用案例

調(diào)節(jié)閥和限流孔板均屬于安裝在管道上的阻力元件，均具有節(jié)流減壓的作用，但其功能不同、適用場景不同。作為可調(diào)的阻力元件，調(diào)節(jié)閥在一定范圍內(nèi)可以“主動(dòng)”改變節(jié)流減壓的效果，而限流孔板的節(jié)流減壓是一個(gè)“被動(dòng)”的結(jié)果。

調(diào)節(jié)閥在大差壓比工況下應(yīng)用時(shí)，由于高流速對閥體結(jié)構(gòu)的沖擊，會(huì)帶來壽命減少、阻塞流、噪聲超限等問題，依賴于特殊閥芯結(jié)構(gòu)、整流降噪內(nèi)件、特殊材質(zhì)、加裝消音器等技術(shù)手段的解決方案會(huì)加大工程投資。通過調(diào)節(jié)閥與限流孔板的聯(lián)合應(yīng)用，將差壓在調(diào)節(jié)閥和限流孔板之間進(jìn)行合理分配，緩和了調(diào)節(jié)閥工況的苛刻程度，使普通調(diào)節(jié)閥即可滿足大壓差比工況下的應(yīng)用，對節(jié)省工程投資具有積極的意義。

然而，由于限流孔板節(jié)流減壓的“被動(dòng)”性，其效果與其上下游差壓緊密相關(guān)并隨之改變而改變，同時(shí)其減壓效果又會(huì)反過來影響上游調(diào)節(jié)閥的工況條件，兩者由此形成的耦合關(guān)系導(dǎo)致依賴于傳統(tǒng)靜態(tài)特值計(jì)算的結(jié)果難以全面反映實(shí)際運(yùn)行的情況，存在計(jì)算結(jié)果失效的可能。針對調(diào)節(jié)閥與限流孔板的聯(lián)合應(yīng)用工況，本文通過實(shí)際工程案例分析CONVAL?軟件計(jì)算與傳統(tǒng)靜態(tài)特值計(jì)算的過程、方法和結(jié)果，探討調(diào)節(jié)閥和限流孔板聯(lián)合應(yīng)用工況選型計(jì)算的難點(diǎn)問題、關(guān)鍵問題以及解決方法。

某項(xiàng)目空氣液化工藝流程中，氮?dú)庠诠芫€中壓力為0.46 MPa，溫度為常溫，標(biāo)況下正常流量qVn=5×103m3/h，最大流量qVmax=1.2×104m3/h，要求壓力由0.46 MPa減至0.01 MPa，再進(jìn)入氮水塔。為保證調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能，同時(shí)也為節(jié)省投資，故而采取調(diào)節(jié)閥加限流孔板組合的方案。該項(xiàng)目空氣液化工藝流程如圖1所示。

2 工程實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)

上述案例在落實(shí)時(shí)需要對限流孔板和調(diào)節(jié)閥進(jìn)行選型計(jì)算，由于兩者耦合關(guān)系的存在，如何確定兩者的計(jì)算條件成為關(guān)鍵問題。

文獻(xiàn)[1]在渣水工況調(diào)節(jié)閥汽蝕問題的解決方法中，對調(diào)節(jié)閥和限流孔板在3個(gè)工況下的情況做了一個(gè)簡單的分析，并得到了一個(gè)調(diào)節(jié)閥和限流孔板的差壓分配情況，最終在分析了最大體積流量和最小體積流量時(shí)，盡量滿足調(diào)節(jié)范圍的前提下，降低調(diào)節(jié)閥的汽蝕，由此確定了一組合適的差壓分配方案。

該項(xiàng)目為可壓縮氣體工況，不存在閃蒸、汽蝕問題，目標(biāo)主要以避免出現(xiàn)阻塞流為主。節(jié)流件入口壓力和閥門開度固定時(shí)的流量與差壓關(guān)系如圖2所示。

圖2 節(jié)流件入口壓力和閥門開度固定時(shí)的流量與差壓關(guān)系示意

由圖2可知，在超過臨界壓差以后，即使壓差繼續(xù)升高，流量也不會(huì)繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象就是阻塞流。

調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上是一個(gè)可變的節(jié)流元件，其流量方程如式(1)所示：

(1)

式中：qV——體積流量；p1——節(jié)流件前壓力；p2——節(jié)流件后壓力；r——重度；g——重力加速度；A——節(jié)流面積；ξ——流量系數(shù)。

可壓縮流體阻塞流的判別式如式(2)和式(3)所示，通過式(2)與式(3)比較得出：當(dāng)X

(2)

(3)

式中：X——壓降與節(jié)流件前壓力之比；Δp——節(jié)流件前后差壓值；K——比熱比；XT——阻塞流時(shí)的壓降比系數(shù)。

其中，XT的數(shù)值只決定于閥的結(jié)構(gòu)，即流路形式，一般閥門樣本給定的是典型的數(shù)值，實(shí)際XT的數(shù)值會(huì)隨著閥門的開度而改變；X1表示計(jì)算壓降比，即對于某一工況，則比熱比是已知的，當(dāng)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定后，若發(fā)生阻塞流時(shí)，其差壓比是一個(gè)固定的常數(shù)。對于限流孔板，根據(jù)HG/T 20570.15—1995《管路限流孔板的設(shè)置》[2]要求：限流孔板后壓力p2不能小于孔板前壓力p1的55%，即p2≥0.55p1。

3 傳統(tǒng)的靜態(tài)特值計(jì)算

在氮?dú)膺M(jìn)入氮水塔的工況下，XT取0.75進(jìn)行計(jì)算，可得X=0.978，X1=0.755，即X>X1，因此在該工況下會(huì)發(fā)生阻塞流。為防止調(diào)節(jié)閥處發(fā)生阻塞流，減小發(fā)生在調(diào)節(jié)閥上的壓降值，通過計(jì)算臨界差壓值為Δp=0.347 MPa，又稱阻塞流差壓，使閥門前后的壓降不超過0.347 MPa的情況下，就不會(huì)發(fā)生阻塞流，此時(shí)再進(jìn)行調(diào)節(jié)閥選型時(shí)就不需要選擇復(fù)雜結(jié)構(gòu)和特殊材料的閥門，剩余的所有壓降由限流孔板承擔(dān)。限流孔板的選型計(jì)算是十分重要的，文獻(xiàn)[3]給出的計(jì)算公式如式(4)所示：

(4)

式中：d0——限流孔板孔徑，mm；qm——?dú)怏w質(zhì)量流量，kg/h；p1——孔板前壓力，kPa；ρ1——孔板前氣體密度，kg/m3。

單一氣體和混合氣體的流量系數(shù)ξ各不相同，對于單一氣體中單原子的ξ取0.51，雙原子氣體的ξ取0.49，三原子氣體及過熱蒸汽的ξ取0.47，飽和蒸汽的ξ取0.45。

由上文可知，串聯(lián)時(shí)，限流孔板前壓力=閥前壓力-阻塞流差壓，可得p1=0.127 MPa，由(4)式計(jì)算得限流孔板孔徑為d0=65 mm。

傳統(tǒng)靜態(tài)特值的計(jì)算帶來的缺點(diǎn)是所計(jì)算的調(diào)節(jié)閥前和閥后的差壓值不準(zhǔn)。當(dāng)選取差壓值小于實(shí)際差壓值時(shí)，在最大流量值、正常流量值以及最小流量值時(shí)，閥門實(shí)際開度就會(huì)小于計(jì)算開度；相反，當(dāng)選取差壓值大于實(shí)際差壓值時(shí)，在最大流量值、正常流量值以及最小流量值時(shí)，閥門實(shí)際開度就會(huì)大于計(jì)算開度。根據(jù)SH/T 3005—2016《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的要求，以等百分比直行程調(diào)節(jié)閥為例，在正常流量時(shí)，開度要求為60%～80%，最大流量時(shí)開度要求不大于90%，最小流量時(shí)開度要求不小于30%。因此，由于差壓值的不準(zhǔn)而帶來的誤差有可能使調(diào)節(jié)閥長期工作在大開度或者小開度狀態(tài)。當(dāng)?shù)劝俜直日{(diào)節(jié)閥長期工作在大開度時(shí)，額定行程增加或減小很小的量時(shí)，額定流量會(huì)增加或減小很大的量，不宜于調(diào)節(jié)閥控制，甚至導(dǎo)致工藝系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、不安全；當(dāng)?shù)劝俜直日{(diào)節(jié)閥長期工作在小開度時(shí)，額定行程增加或減小很大的量時(shí)，額定流量才會(huì)有明顯的增加或減小，調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能差，延遲高，調(diào)節(jié)不及時(shí)，也同樣會(huì)導(dǎo)致工藝系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、不安全。額定流量與額定行程的關(guān)系如圖3所示。

圖3 額定流量與額定行程的關(guān)系示意

4 使用CONVAL?進(jìn)行調(diào)節(jié)閥與限流孔板聯(lián)合計(jì)算及分析

CONVAL?由德國F.I.R.S.T. GmbH公司研發(fā)的一款第三方流體工程裝置計(jì)算優(yōu)化軟件，經(jīng)過30多年的發(fā)展，CONVAL?已經(jīng)被開發(fā)成具有先進(jìn)計(jì)算及診斷功能的流體工程裝置軟件。軟件包括：對控制閥、兩相流控制閥、蒸氣減溫減壓閥、執(zhí)行器的計(jì)算選型和優(yōu)化，尤其針對苛刻工況閥門的選型應(yīng)用。此外，軟件還包括對最新國際標(biāo)準(zhǔn)的熱偶套管、差壓孔板&流量、控制閥外置閥后減噪板、管路損失、管道跨度&補(bǔ)償、管道壁厚、水擊壓強(qiáng)、安全閥、爆破片、液位校準(zhǔn)、混合物介質(zhì)計(jì)算、熱力學(xué)介質(zhì)計(jì)算等20個(gè)模塊的計(jì)算及各種性能指標(biāo)的優(yōu)化分析。軟件核心功能包括：上千種高精度介質(zhì)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用最新國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算優(yōu)化評估、專家式經(jīng)驗(yàn)、指數(shù)診斷、圖形化分析、混合物及熱力學(xué)介質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算、豐富的制造商裝置數(shù)據(jù)庫、完全開放的COM通信接口，用戶自定義數(shù)據(jù)批處理格式、高效的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出及各種模板。

使用CONVAL?閥門計(jì)算模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)閥與限流孔板聯(lián)合計(jì)算時(shí)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算功能，還包含了大量的介質(zhì)特性數(shù)據(jù)和集成了大量的優(yōu)質(zhì)廠商的儀表數(shù)據(jù)。相比于普通調(diào)節(jié)閥計(jì)算軟件，CONVAL?的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。CONVAL?依據(jù)IEC 60534-8-3：2010Industrial-processcontrolvalves—Part8-3：Noiseconsiderations—Controlvalveaerodynamicnoisepredictionmethod[5]對多級軸內(nèi)件閥門進(jìn)行噪聲計(jì)算預(yù)測，并依據(jù) IEC 60534-8-4：2005Industrial-processcontrolvalves—Part8-4Noiseconsiderations—Predictionofnoisegeneratedbyhydrodynamicflow[6]計(jì)算與頻率相關(guān)的聲壓級。同時(shí)依據(jù)IEC 60534-8-3：2010和IEC 60534-8-4：2005對閥后阻力件結(jié)構(gòu)(多孔孔板、消音器等)進(jìn)行噪聲計(jì)算預(yù)測，通過噪聲預(yù)測和特性曲線計(jì)算來對控制閥進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。

參照該工況，氮?dú)庠诠芫€中的壓力為0.46 MPa，溫度為常溫，標(biāo)況下，正常流量qVn=5×103m3/h，最大流量qVmax=1.2×104m3/h，可在調(diào)節(jié)閥計(jì)算模塊增加阻力元件結(jié)構(gòu)，此處的阻力元件就是限流孔板。閥后未加限流孔板CONVAL?對該工況計(jì)算的圖形分析如圖4所示，閥門聲壓級(A加權(quán))LpAe隨著行程/旋轉(zhuǎn)角度比(s/s100)的增大而升高，在s/s100>0.45時(shí)，LpAe>85 dB(A)。

LpAe是由閥門產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為聲音的效率計(jì)算得出，其中超過99%的總能量轉(zhuǎn)化為熱量，而少于1%的總能量轉(zhuǎn)化為聲音。圖4中陰影部分表示：當(dāng)X1≤X時(shí)，閥門處開始發(fā)生阻塞流。

增加限流孔板結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)軟件可實(shí)現(xiàn)對閥門和限流孔板的自動(dòng)計(jì)算。在閥門出口增加限流孔板，相當(dāng)于增加了閥門出口壓力p2，限流孔板的初始壓力為調(diào)節(jié)閥的出口壓力，限流孔板的結(jié)構(gòu)決定了調(diào)節(jié)閥的輸出壓力。閥后加限流孔板CONVAL?對該工況的計(jì)算分析如圖5所示，在加裝限流孔板以后，LpAe始終不高于85 dB(A)，閥門處產(chǎn)生的噪聲大小滿足使用要求。軟件也會(huì)給出阻力元件和閥門的總聲壓級?？梢钥闯?，當(dāng)0

圖4 閥后未加限流孔板CONVAL?軟件對該工況的計(jì)算分析示意

圖5 閥后加限流孔板CONVAL?軟件對該工況的計(jì)算分析示意

閥后加限流孔板有效地解決或避免了調(diào)節(jié)閥阻塞流現(xiàn)象的發(fā)生，一方面提高調(diào)節(jié)閥的控制使用性能，另一方面降低設(shè)備成本，同時(shí)也提供了限流孔板的計(jì)算選項(xiàng)規(guī)格。

調(diào)節(jié)閥特殊的閥內(nèi)結(jié)構(gòu)以及限流孔板結(jié)構(gòu)大小都會(huì)直接影響管道中流體的流動(dòng)特性，因而將調(diào)節(jié)閥和限流孔板進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算相較于傳統(tǒng)的靜態(tài)特值計(jì)算方式，計(jì)算可靠性和精度會(huì)大幅提高。同時(shí)CONVAL?軟件會(huì)提供一個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)——可靠性指數(shù)(Ri)，它基本上可以用來評估由工藝條件、介質(zhì)、管道和調(diào)節(jié)閥組成的整個(gè)系統(tǒng)。Ri值范圍是0～1，若在0～0.1內(nèi)，則表示沒有可靠性問題存在；若在0.1～0.5內(nèi)，則表示可能存在可靠性問題；若在0.5～1.0內(nèi)，則表示有限的可靠性問題；若Ri值大于1，則表示可能存在閥門損壞。一般為了彌補(bǔ)有限的可靠性問題，建議采用硬化閥座和閥芯，再進(jìn)行計(jì)算，觀察Ri值是否降到0～0.1。

5 關(guān)鍵問題及解決方案

選用調(diào)節(jié)閥后加限流孔板應(yīng)用時(shí)需要關(guān)注以下兩個(gè)關(guān)鍵問題：

1)介質(zhì)要求潔凈，不含顆粒物等雜質(zhì)，不易結(jié)晶堵塞。通常，對于潔凈性氣體、蒸汽等介質(zhì)工況可以采用調(diào)節(jié)閥后加限流孔板的應(yīng)用較多，它可以分擔(dān)一部分控制閥的差壓，通過降低出口流速和噪聲降低由于高噪聲對閥門產(chǎn)生的振動(dòng)影響。

2)限流孔板進(jìn)行選型時(shí)，當(dāng)流量變化較大并且壓降又大的場所，并不適合選擇限流孔板。因此，限流孔板適用于壓降大流量變化小的工況。對于限流孔板結(jié)構(gòu)，需要考慮以下問題：限流孔板可分為單孔孔板，多級限流孔板組和多孔孔板。在相同的開孔面積下，多孔的摩擦阻力比單孔的大并可起到穩(wěn)流作用，故可優(yōu)先選擇多孔孔板；其次，多孔常用于大于DN150 mm的大管道上。在壓降較大的場合，用單孔板會(huì)引起振動(dòng)或產(chǎn)生較大噪聲，同時(shí)若介質(zhì)相態(tài)是液體，將會(huì)在限流孔板處發(fā)生閃蒸和汽蝕。

在CONVAL?軟件的調(diào)節(jié)閥和限流孔板模塊中，開發(fā)了對閥后在管道上增加限流孔板的計(jì)算功能，很好地解決了分開計(jì)算帶來的誤差問題。同時(shí)，CONVAL?軟件采用目前國際最新的流體裝置計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)以及歐洲近30多年的工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)對調(diào)節(jié)閥、限流孔板等流體裝置進(jìn)行計(jì)算優(yōu)選。在計(jì)算中，把過程流體物性、流體標(biāo)準(zhǔn)、裝置的結(jié)構(gòu)屬性以及豐富積累的工程經(jīng)驗(yàn)有機(jī)地組合在一起，計(jì)算結(jié)果或診斷性能可以通過分析指數(shù)的形式提供給用戶，最終達(dá)到降低設(shè)計(jì)選型出錯(cuò)率、合理優(yōu)化選型、降低項(xiàng)目裝置成本、提高設(shè)計(jì)裝置安全可靠性的目的。

6 結(jié)束語

調(diào)節(jié)閥閥后加限流孔板的減噪技術(shù)應(yīng)用相比較國外而言，在國內(nèi)應(yīng)用并不普及，一些用戶尤其在過去對噪音的預(yù)防要求并不十分嚴(yán)格，從而對閥芯和閥座等閥內(nèi)件造成嚴(yán)重的沖刷，降低了調(diào)節(jié)閥的使用壽命。即使采用高昂的成本選擇復(fù)雜降噪內(nèi)件的閥門，給閥門的維護(hù)和檢修也帶來了很高的成本。調(diào)節(jié)閥外置閥后限流孔板技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性很好，尤其在改擴(kuò)建、調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品利舊應(yīng)用場合，能給用戶帶來很大的效益。