化工控制閥選擇 上海申弘閥門有限公司 之前介紹蒸汽截止閥熱損失,現在介紹化工控制閥選擇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 化工控制閥選擇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。建議選擇順序:上海申弘閥門有限公司主營閥門有:截止閥,電動截止閥單(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。 控制閥是組成工業自動化控制系統中的一個重要環節,它被稱之為生產過程自動化的“手足”,正確選擇控制閥是確保系統穩定、正常運行的關鍵。控制閥選型內容通常包括以下幾個方面: ①控制閥結構形式選擇 控制閥有單座閥、雙座閥、套筒閥、角形閥、三通閥、隔膜閥、蝶閥、球閥、偏心旋轉閥等類產品,用戶應根據被調介質的特性和工藝條件選擇控制閥的結構形式。 ②控制閥流量特性選擇 控制閥流量特性是指相對行程與相對流量的關系,通常有直線特性、等百分比特性、快開特性,需根據工藝對象的特點選擇。 ③控制閥口徑計算 根據工藝過程條件計算出控制閥的流量系數C,然后根據對應結構形式控制閥的流量系數C值表選擇口徑。 ④控制閥執行機構有氣動、液動、電動三種 氣動執行機構可用于防火防爆場合,故障率低,但需 建獨立的儀表氣源;液動執行機構可用于推力或力矩特別大的地方,運行平穩,但體積大,價格昂貴,用量很少;電動執行機構的驅動源隨地可取,隔爆型產品可用 于防火防爆場合,其可靠性近年來大幅度提高,目前已成為執行機構的主流產品。 ⑤控制閥材質選擇 主要根據閥門受控介質的溫度、壓力、腐蝕性以及是否產生氣蝕、沖蝕等因素選擇材質,這包括閥體、閥蓋、閥芯、閥桿、閥座、墊片、密封填料等材質的選擇。 ⑥ 控制閥不平衡力校核 不平衡力校核是保證控制閥正常工作*的一步。其實質是校核執行機構的輸出力是否大于介質的不平衡力、閥門動作時的摩擦力、閥芯的重力等力的總和(校核時輸出力還要有一定的余量)。 為了簡化計算。閥門生產廠根據工作條件對常用閥門計算出允許壓差,列成表格附在選型樣本上,這樣不平衡力校核就轉換成允許壓差校核。 校核有兩種方式,一是根據所選執行機構的輸出力看允許壓差值是否合乎要求,二是根據允許壓差值選定合適輸出力的執行機構。
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。 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。 7 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。 8 結論 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角式平衡型截止閥設計說明
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