石油化工自動控制閥選型

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之前介紹化工裝置調節閥故障維護，現在介紹石油化工自動控制閥選型在石油化工企業的自動控制系統中，調節閥選擇得合適與否，直接影響控制系統的調節品質。在選擇調節閥時，要重視閥的口徑計算，還要對閥型和其它方面的選擇予以重視。若調節閥選擇不當，將使系統不能正常工作，或使閥門很快損壞，甚至造成生產事故。在化工生產和自動控制領域中，一個工藝控制過程是否能滿足各項工藝控制指標，控制過程是否平穩；超調量、衰減比是否在規定的范疇之內；是否穩、快、準，除了工藝設計合理，設備*外，重要的一點就是控制閥是否能根據工藝參數變化而準確動作。控制閥是終端控制元件，在整個控制回路中較為重要但又是長期以來技術比較薄弱的環節，因此如何選擇安全、適用、可靠、經濟的控制閥，滿足工藝調節要求，提高控制水平，是自控設計人員、生產廠家和用戶zui為關注的問題。本文主要介紹控制閥的一般選型原則、步驟，并突破嚴酷工況下硬密封控制閥的頑癥，目的是為用戶提供較為適用的選型手段。
1石油化工自動控制閥選型 控制閥結構形式的選
控制閥一般由執行機構和閥門組成。控制閥的產品類型很多，結構也多種多樣，選擇時應綜合考慮調節功能、泄漏等級及切斷壓差、耐壓及耐溫、沖蝕、汽蝕、腐蝕、使用生命周期、維護及備件、性能價格比。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥建議選擇順序：單（雙）座（Globe）控制閥、籠式單（雙）座（Cage）控制閥、偏心旋轉閥、蝶閥、角閥、球閥（V.O）、三通閥、特殊控制閥等。詳見表1。

注：“√”表示*選擇；“○”表示可用選擇；“╳”表示較差選擇
針對高壓、高壓差工況，控制閥閥體應選用鍛鋼件，控制閥應選用帶多級套筒式、多級閥芯式、多級疊板式等防空化組件。
閥門的泄露等級應根據ANSIB16。14標準進行選擇，絕大多數金屬密封控制閥的泄漏等級是四級（ANSICLASSIV），更嚴格的泄漏等級是六級（ANSICLASSVI）可采用軟閥座形式。對于溫度較高，不能使用軟閥座的場合，可采用五級（ANSICLASSV）泄漏標準。
前言 
調節閥是自動化儀表控制系統中的執行器，其應用質量反映在系統中的調節品質上，調節閥應用的好壞，即應用質量與三個方面有關：（1） 系統設計人員的正確選型；（2） 生產廠家的合格產品質量 （3） 用戶的正確安裝、使用、維護。 
在石油化工生產裝置中調節閥的選型與使用主要從以下問題著手：（1）口徑計算。（2）校核關閉時的△P。（3）校核可調比R。（4）確定彈簧范圍，涉及彈簧范圍、啟始工作壓力、輸出力、穩定性、調整等。（5）材質與結構。 

一、調節閥的常見種類及特點 
石油化工廠中常見的調節閥主要分為直行程調節閥和角行程調節閥。直行程調節閥有直通單座閥、直通雙座閥、套筒閥、角形閥、三通閥、隔膜閥等，角行程調節閥有蝶閥、球閥、偏心旋轉閥等，作為調節閥的使用與安裝維護人員，必須弄清楚基型產品的特點、使用注意事項、各類變型產品。 
（1）直通單座調節閥：該閥具有泄漏小、許用壓差小、流路復雜、結構簡單的特點，適用于泄漏要求嚴、工作壓差小的干凈介質場合，但小規格的閥（如DN15、20、25）亦可用于壓差較大的場合，是應用zui廣泛的閥之一。 
（2）直通雙座調節閥：與單座閥相反，具有泄漏大、許用壓差大的特點，適用于泄漏要求不嚴、工作壓差大的干凈介質場合，是應用的閥之一。 
（3）套筒閥：套筒閥具有單密封、雙密封兩種結構，前者相當于單座閥，后者相當于雙座閥，適用于雙座閥場合，除此之外，套筒閥還具有穩定性好、裝卸方便的特點，但價格比單雙座閥貴50%～200%，還需要專門的纏繞密封墊。是僅次于單、雙座閥應用較為廣泛的閥。 
（4）角形閥：節流型式相當于單座閥，但閥體流路簡單，適用于泄漏要求小、壓差不大的不干凈介質場合以及要求直角配管的場合。 
（5）三通閥：具有3個通道，可代替兩個直通單座閥用于分流和合流及兩相流溫度差成≤150℃的場合，當DN<80mm，儀表工程應用的設計工作。 
（6）隔膜閥：隔膜閥流路簡單，隔膜具有一定的耐蝕性能，適用于不干凈介質和弱腐蝕性介質的兩位切斷場合。 
（7）蝶閥：相當于取一段直管來做閥體，且閥體又相當于閥座，自潔性能好、體積小、重量輕，適用于不干凈介質和大口徑、大流量、低壓差的場合。當DN>300mm時，通常采用蝶閥。 
（8）球閥：“O”形球閥全開時為無阻調節，自潔性能*，適用于特別不干凈、含纖維介質的兩位切斷場合。“V”形球閥具有近似等百分比的調節特性，適用于不干凈、含纖維介質可調比較大的調節場合。 
（9）偏心旋轉閥：該閥介于蝶閥和球閥之間，自潔性能好，調節性能好，亦可切斷，適用于不干凈介質和泄漏要求小的調節場合。 

二、調節閥選型注意事項 
（1）調節閥類型的選擇 
主要是根據現場介質的特點、控制要求、安裝環境等因素結合調節閥本身的流量特性和結構而進行選擇。在我們實際使用中，應用zui多的是普通單座調節閥、雙座調節閥、套筒調節閥、蝶閥等。一般來講，在流量小、壓差小、要求泄漏量小的場合，選擇結構簡單、裝配方便的單座調節閥即可滿足生產需要，而且經濟實惠；在流量大、壓差大、泄漏量要求不嚴格的場合，應優先考慮雙座調節閥；套筒調節閥zui適宜用在壓差大、振動大、高溫高粘度、含顆粒結構的介質場合；蝶閥適宜用于低壓、大流量的壓力、流量調節；隔膜閥適用于強腐蝕性、粘度高、帶纖維的介質，但不是高溫、高壓的場合；角形閥的閥體受流體的沖擊小，閥體內不易接污，對粘度高、有懸浮物和顆粒物的流體尤為適用，并且角形閥的穩定性較好。 

（2）調節閥材質的選擇 
調節閥材質的選擇主要是指兩個方面：（1）閥體、閥蓋材質的選擇，閥體耐壓等級、使用溫度和耐腐蝕性能等方面不低于工藝連接管道的要求，并應優先選用制造廠定型產品，遇有水蒸汽或含水較差的濕氣體和易燃易爆介質，或當壞境溫度低于-30℃時，不宜選用鑄鐵閥。（2）閥內組件（閥桿、閥芯、閥座）材質的選擇，非腐蝕性介質一般選用1Cr18Ni9Ti或其它不銹鋼，而在汽蝕、沖蝕較為嚴重的情況下，以及在介質溫度與壓差構成的直角坐標中。溫度為300℃，壓差為1.5MPa的兩點連線以外的區域，應選用耐磨材料，如鉆基合金或表面堆焊史泰萊合金。閥體、閥蓋相當于壓力容器，因此要求其必須能承受介質的溫度、壓力和腐蝕，而閥內組件主要起節流作用，對它的基本要求是耐腐蝕、耐沖刷，這是調節閥材質選擇的出發點。 
選擇調節閥的材質必須把握兩個大的原則：（1）要保證安全可靠，也就是根據工藝特性，選擇諸如耐高溫、耐低溫、耐高壓、耐汽蝕以及耐腐蝕的材質；（2）在滿足使用要求的前提下，還要考慮其性能、使用壽命和經濟性。 
在滿足使用的必要功能前提下，所選閥應盡量簡單、可靠價廉、壽命長、維修方便，備件有來源。需考慮的主要因素如下：（1）zui基本的條件是應該滿足工藝的壓力、流量、溫度的要求。（2）閥的密封性、可靠性、經濟性。（3）閥的工作壓差小于閥的許用壓差。（4）對通過閥內不潔介質，易結垢介質，強腐蝕介質的考慮。（5）對閥動作速度，閥流量特性，作用方式，流向的考慮。（6）對執行機構形式、輸出力、剛度及彈簧范圍的考慮。（7）對附件及其成套性及特殊閥之特殊性能及要求的考慮。 

2 控制閥口徑的選擇
根據初步的工藝條件和參數確定了控制閥的結構和類型后，一項主要的工作就是計算確定控制閥的流量系數。英制單位的流量系數Cv是指在每平方英寸1磅的壓力降下，每分鐘流過閥門6OF（15.6℃）水的加侖數。單位的流量系數Kv是指在0.1MPa壓力降下，每小時流過閥門5～40℃水的立方米數。
二者之間的關系：Cv=1.16kV
國內生產廠計算流量系數通常采用Cv，Cv是表示控制閥容量大小、結構及流路形式對流通能力的影響等綜合因素的固有參數，它與控制閥的形式及口徑有直接的，因此控制閥口徑的選定，實際上就是根據工藝條件確定控制閥閥體類型，進行流量系數的計算，使按此流量系數選定的控制閥口徑，能保證工藝對象要求的流量，同時控制閥的行程又能在合適的范圍。
Cv值的計算有相應的專業計算軟件，根據計算的Cv值和已確定的閥體類型，就可以從生產廠家獲取相應系列的控制閥選型資料，從對應的產品標準系列中選取額定流量系數不小于并接近于此Cv的一個數值，作為zui終選定的流量系數C100，與此C100相對應的控制閥口徑，即為zui終選擇的控制閥口徑。
3 執行機構的選擇
為使控制閥正常工作，所選執行機構要能產生足夠的輸出力來克服各種阻力，保證高度的密封和閥門的開啟。執行機構類型有三種，即氣動執行機構（直行程用薄膜執行機構，彈簧復位的單氣缸及雙氣缸采用氣缸執行機構）；電動執行機構（包括馬達驅動閥MOV）；液動執行機構。可根據輸出力、調節速度、線性度、滯后性、靈敏度、故障位置、尺寸與重量來選擇。通常選擇氣動執行機構，在沒有氣源的場合選擇電動執行機構。
控制閥的執行機構彈簧壓力范圍建議綜合考慮選擇60～180kPa（通常20～100kPa，40～200kPa兩種），彈簧硬，控制閥的穩定性好；彈簧軟，輸出力大。
4 閥體材質選擇
選擇合適的閥體材料能延長閥門的使用壽命。選擇材料一般應根據工藝介質的溫度、壓力、腐蝕性、沖刷、氣蝕等幾個方面來確定，同時還要考慮其經濟性。一般工況下選擇碳鋼或不銹鋼材料；在腐蝕場合必須選擇特殊合金材料，如：Mo2nel、HasloyB，C、Ti、雙向鋼等；對于嚴重沖刷的場合，采用閥內件硬化處理或硬度較高材料有利于延長閥門的使用壽命，如：17～4PH、Slited
等。閥體的材質應在使用介質、耐壓等級、使用溫度范圍、耐腐蝕等方面進行選擇，其原則是不應低于工藝管道材質的要求，優先在控制閥定型產品中選取。
5 閥芯材質選擇
控制閥的閥芯一般都由316不銹鋼材料制造，具體閥芯材料的選擇還要考慮閥芯硬化處理；抗腐蝕性；抗沖刷性；抗磨損性；高溫高壓等嚴酷工況。
（1）嚴酷工況指高壓降、高流速、深冷或高溫、強噪音、沖刷、氣蝕、閃蒸。嚴酷工況會損壞控制閥，往往使其不能正常工作，如高壓差對密封面產生嚴重的沖蝕，影響壽命；深冷或高溫使閥產生嚴重的熱脹冷縮，造成嚴重堵卡，影響密封。因此選擇控制閥時要特別重視嚴酷工況使用條件下的閥門，一般采用外硬內軟閥芯表面超硬化處理，解決了沖蝕、堵卡等問題，提高密封面壽命。
（2）當流進控制閥的液體壓力降到低于入口溫度下液體的飽和蒸氣壓時，往往會發生氣蝕現象。當壓力為P1的流體流過控制閥經過截流孔時，流速急劇增加，同時流體靜壓力驟然下降，當節流孔后壓力Pvc達到或低于該流體的飽和蒸氣壓Pv時，部分液體就會氣化成為氣體產生大量氣泡，形成氣液兩相共存的現象，這種現象稱為空化。當離開節流孔后壓力又逐漸上升，當上升至高于閥門出口壓力P2時氣泡破裂并產生液體，這個過程為空化作用。若P2小于Pv則稱為閃蒸。空化作用發生時，氣體液化，氣泡破裂釋放出巨大能量，對閥內件產生嚴重的破壞作用，同時產生噪音或震動。氣蝕、閃蒸產生的后果也是如此，對控制閥內件及管道產生很大的破壞作用，導致閥門故障。
對于氣蝕、空化、閃蒸工況，通常采用分級降壓、多級減壓的特殊閥內件或采用經硬化處理的閥內件來保護控制閥。
（3）控制閥噪音主要來自液體動力學噪音和氣體動力學噪音。液體學噪音是當液體流過閥時產生空化現象，氣泡破裂而產生巨大噪音。噪音頻率約在15～10000Hz很寬范圍。氣體動力學噪音包括氣體和水蒸氣產生的噪音。
由于計算比較復雜繁瑣，許多用戶或設計單位都由制造廠負責設計計算，噪音應符合我國環保要求，詳見表2。

一般噪音上限均不能大于105dB。氣體動力學噪音一般解決方法是在閥后安裝消音格子板（LO～DB極度），氣體通過它時使氣體流速減低，但是這種高質合金鋼并經過加硬處理的消音器價格十分昂貴。噪音的控制通過分級降壓、多級減壓的方式來實現。有效地控制介質的流速，是避免產生高噪音的主要手段。
6 控制閥的填料選擇
控制閥的填料裝于上閥蓋填料室內，其作用是防止因閥桿移動而閥內介質向外泄漏。zui常用的填料是聚四氟乙烯填料，它具有摩擦系數小，密封性能好和耐腐蝕性能好的優點，但耐溫差，壽命較短，不能用于熔融狀堿金屬、高溫的氟化氯和含有氟元素的介質。同時柔性石墨填料也是一種新型填料，它具有密封性、自潤滑性好，耐腐蝕、耐高溫（-200℃～600℃）和溫度變化影響較小等特點。但對閥桿摩擦力大，通常要使用定位器才能很好工作。旋轉型控制閥、高溫控制閥均采用柔性O型石墨填料。

三、調節閥安裝注意事項 
（1）宜垂直、正立安裝在水平管道上，公稱通徑DN>50mm的調節閥，其閥前后管道上有*性支架。 
（2）調節閥配管應組合緊湊，上、下部分應留有足夠的空間，必要時應設置平臺，便于操作、維修和排液，配管通徑盡量與閥通徑一致。連接形式應符合制造廠產品說明書的規定。 
（3）調節閥用于高粘度、易結晶、易汽化以及低溫流體時，應采取保溫和防凍措施。使用環境溫度一般不高于60℃，不低于-30℃，未安裝閥門定位器的調節閥，當閥安裝在有振動場合時，應考慮防振措施。 
（4）未安裝閥門定位器的調節閥，膜頭上安裝指示控制信號的小型壓力表。 
（5）安裝前應先對閥檢查校驗，并在管道吹掃后安裝。用于懸浮物、高粘度介質時，應配沖洗管線。 
（6）入口管段長度應盡量長，對于小通徑閥門，應大于10倍管道通徑，調節閥出口直管段應有3～5倍管道通徑。調節閥進出口取壓點位置，閥前為2倍管道通徑處，閥后為3倍管道通徑處。 
（7）對小流量調節閥前應安裝過濾裝置。 
（8）務必按流動方向箭頭安裝，安裝時應避免過大的應力。環境塵埃較多時，應采取保護閥桿的措施，避免磨損或卡死。

控制閥的附件選擇
控制閥的附件主要有閥門定位器、電磁閥、手輪機構、空氣過濾減壓器、閥位變送器和行程開關等。
（1）閥門定位器是控制閥的主要輔助儀表，可分為氣動閥門定位器和電氣閥門定位器。
閥門定位器能夠提高執行機構輸出力，可使閥門的供氣速度快、閥的動作速度加快。在使用現場總線的場所采用數字閥門定位器，除上述功能外，帶PID控制功能、現場總線診斷功能、閥門特性曲線記錄功能。
（2）電磁閥選用時主要考慮用幾個位置、幾個通道；電源電壓、是否防爆；線圈通電后使控制閥關閉還是打開等。
（3）根據工藝要求確定是否選擇手輪機構。
（4）空氣過濾減壓器是常用的輔助儀表，選擇時注意它的輸出壓力、流量。
（5）行程開關應優先選用接近開關（無觸點）。
（6）根據需要選擇閥位變送器、空氣貯罐、繼動器、止回閥、自鎖閥、閥位限制器等。 

結束語 
調節閥是化工生產過程自動控制系統中的節流操作元件，正確選擇和安裝調節閥，直接關系到調節閥在自控系統中的作用。調節閥安裝在工藝管道上，直接與操作介質接觸，正確的選擇和使用調節閥，直接關系到整個自動控制系統的控制質量，直接影響生產產品的質量。因此，正確合理的選擇、安裝調節閥就是顯得尤為重要。 控制閥的選擇是非常細致的工作，不僅要有扎實的專業理論知識，還要有豐富實踐經驗。控制閥的選擇要在實踐的過程中不斷總結和創新，特別隨著機電一體化技術、計算機和數字信息技術的應用，控制閥的結構功能變得更好、更全面，為選擇控制閥提供了極大的方便。上述控制閥選型的原則，可作為化工裝置一般工況用控制閥選擇的指導。與本文相關的產品有：固定比例式減壓閥在穩健醫療應用