控制閥阻塞流分析

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之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹控制閥阻塞流分析本文詳細(xì)論述調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的成因及其對生產(chǎn)所帶來的影響和危害，分別闡述如何通過計(jì)算判斷分析調(diào)節(jié)閥是否出現(xiàn)了這3種現(xiàn)象，以及發(fā)生的是其中的哪一種或幾種，并結(jié)合實(shí)例對其進(jìn)行判斷分析并提出解決方案。給工程設(shè)計(jì)人員的閥門選型提供參考。
關(guān)鍵字：調(diào)節(jié)閥 閃蒸 空化 阻塞流 選型

1 什么是調(diào)節(jié)閥的閃蒸、空化及阻塞流
1.1 不可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現(xiàn)象
當(dāng)不可壓縮流體（通常指液體），通過調(diào)節(jié)閥時(shí)，根據(jù)伯努利方程可知，流道變化，截面積越小流速越大，靜壓越低。根據(jù)圖2，當(dāng)閥前壓力P1一定，而閥后壓力P2逐漸降低時(shí)，縮流斷面的壓力Pvc低于該流體在入口溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，就會產(chǎn)生汽泡出現(xiàn)兩相流，縮流斷面后伴隨著流道截面積的擴(kuò)大，動壓越來越大，如果閥后壓力不能恢復(fù)到飽和蒸汽壓以上，則汽泡不會破裂，并伴隨液體流出調(diào)節(jié)閥，這個(gè)過程叫做閃蒸；若P2恢復(fù)到飽和蒸汽壓以上，則閥后汽泡破裂，這個(gè)過程叫做空化或者汽蝕；如果縮流斷面的壓力Pvc繼續(xù)降低，閥后的氣相將繼續(xù)增加，到某一時(shí)刻，流量將達(dá)到極限值，此時(shí)，無論如何降低閥后壓力都不能增加流量大小，此時(shí)的流動狀況稱為阻塞流。通俗地說，阻塞流就是閥后氣相迅速增加，導(dǎo)致物料體積快速膨脹，在管道管徑的限制下，無法及時(shí)流通即為阻塞流。由于閃蒸、空化的這種特點(diǎn)，某些工段工藝會利用閥門的閃蒸和空化來達(dá)到霧化或者將物料氣化的目的。
1.2 控制閥阻塞流分析可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現(xiàn)象
氣體在低流速時(shí)屬于不可以壓縮流體，其熱力狀態(tài)的變化可以忽略，但在高速流動下（如大于0.3馬赫時(shí)），氣體的壓縮效應(yīng)不能忽略，其熱力狀態(tài)也發(fā)生明顯變化，氣體運(yùn)動既要滿足流體力學(xué)定律，也要滿足熱力學(xué)定律。當(dāng)可壓縮流體通過調(diào)節(jié)閥時(shí)，根據(jù)伯努利方程，由于流道的變化，截面積越小流速越大，靜壓越低；但是如果當(dāng)縮流口已經(jīng)達(dá)到臨界流速時(shí)，此時(shí)伯努利方程不再適用，根據(jù)氣體動力學(xué)，此時(shí)情況恰恰相反，閥后截面越大，流速越快，氣體膨脹，此時(shí)無論閥門兩端壓差怎樣提升，流量也不會改變，而是恒定不變，這種現(xiàn)象稱為可壓縮流體的阻塞流。由于可壓縮流體本身就是氣態(tài)，所以沒有閃蒸和空化現(xiàn)象。
2 閃蒸、空化及阻塞流的危害與處理
2.1 調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的危害
閥門的閃蒸、空化zui重要的特點(diǎn)是流體伴隨著兩相流，流出調(diào)節(jié)閥，這個(gè)過程叫做閃蒸；若P2恢復(fù)到飽和蒸汽壓以上，則閥后汽泡破裂，這個(gè)過程叫做空化或者汽蝕；如果縮流斷面的壓力Pvc繼續(xù)降低，閥后的氣相將繼續(xù)增加，到某一時(shí)刻，流量將達(dá)到極限值，此時(shí)，無論如何降低閥后壓力都不能增加流量大小，此時(shí)的流動狀況稱為阻塞流[1]。 通俗地說，阻塞流就是閥后氣相迅速增加，導(dǎo)致物料體積快速膨脹，在管道管徑的限制下，無法及時(shí)流通即為阻塞流。由于閃蒸、空化的這種特點(diǎn)，某些工段工藝會利用閥門的閃蒸和空化來達(dá)到霧化或者將物料氣化的目的。
1.2 可壓縮流體的閃蒸、空化及阻塞流現(xiàn)象 氣體在低流速時(shí)屬于不可以壓縮流體，其熱力狀態(tài)的變化可以忽略，但在高速流動下（如大于0.3馬赫時(shí)），氣體的壓縮效應(yīng)不能忽略，其熱力狀態(tài)也發(fā)生明顯變化，氣體運(yùn)動既要滿足流體力學(xué)定律，也要滿足熱力學(xué)定律。當(dāng)可壓縮流體通過調(diào)節(jié)閥時(shí)，根據(jù)伯努利方程，由于流道的變化，截面積越小流速越大，靜壓越低；但是如果當(dāng)縮流口已經(jīng)達(dá)到臨界流速時(shí)，此時(shí)伯努利方程不再適用，根據(jù)氣體動力學(xué)，此時(shí)情況恰恰相反，閥后截面越大，流速越快，氣體膨脹，此時(shí)無論閥門兩端壓差怎樣提升，流量也不會改變，而是恒定不變，這種現(xiàn)象稱為可壓縮流體的阻塞流。由于可壓縮流體本身就是氣態(tài)，所以沒有閃蒸和空化現(xiàn)象。
2 閃蒸、空化及阻塞流的危害與處理
2.1 調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的危害 閥門的閃蒸、空化zui重要的特點(diǎn)是流體伴隨著兩相流，而氣泡在發(fā)生破裂或者向內(nèi)爆炸的瞬間，氣泡原來占據(jù)的空間就會形成高真空空穴，液相在這種差壓作用下，以*的速度填充氣泡原來的空間，形成具有沖擊力的微噴射和壓力波，而閥門的流道往往不會是直通的，由于這種閥芯的阻擋，很多沒有來得及溶解、凝結(jié)和破裂的氣泡，在撞擊的作用下，變成更多的小氣泡，這些氣泡在閥門的流路和閥內(nèi)件表面被壓縮、凝結(jié)和破裂，并產(chǎn)生一種砂石流過閥門的噪聲，這種周而復(fù)始的能量釋放，猶如水滴石穿，會慢慢撕裂材料或者造成材料的剝落。閃蒸破壞的特點(diǎn)是受沖刷表面有平滑拋光的外形，而空化則會造成流道或者閥內(nèi)件類似于煤渣的粗糙表面。阻塞流工況下常常伴隨高噪音，在現(xiàn)實(shí)工況環(huán)境下，還往往伴隨著流體的腐蝕作用，這種多重作用下的損害往往比單一作用產(chǎn)生的危害更加*[2,3]。 閃蒸和汽蝕現(xiàn)象可能出現(xiàn)阻塞流，而當(dāng)閥門出現(xiàn)阻塞流的情況下，肯定伴隨著閥門的閃蒸，如果閥后壓力高于入口溫度下的飽和蒸汽壓，還會出現(xiàn)空化。閥門的閃蒸、空化產(chǎn)生噪音的物理過程中也會引起振動，如果閥門安裝位置、零部件固定等對振動敏感的因素比較突出，那么在這種現(xiàn)場劇烈的地方可能會對閥門產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至引發(fā)安全事故。由圖1可以清楚地看到，在閥門的選型計(jì)算中，如果不考慮阻塞流的情況，那么計(jì)算出來的流量與真實(shí)狀況將嚴(yán)重不符，這將直接導(dǎo)致選型不準(zhǔn)。所以對閥門的閃蒸、空化及阻塞流的判斷分析，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小和排除它們的危害對于工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
2.2 調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的處理 處理的方法基本分為兩大類： 治標(biāo)的方法： 1）通過選用硬度更高的材料制作閥內(nèi)件，閥門能更好地應(yīng)對惡劣工況，有效延長閥門使用壽命。 2）選擇相對合理的閥門類型及流向，因?yàn)殚y門的壓力恢復(fù)系數(shù)與流道結(jié)構(gòu)及流向息息相關(guān)，壓力恢復(fù)系數(shù)的大小直接決定了閥門閥后壓力的恢復(fù)情況，進(jìn)而決定了閥門差壓及閥后的兩相流環(huán)境，因此在同樣的工況條件下，選擇壓力恢復(fù)系數(shù)低的單座閥要比選擇壓力恢復(fù)系數(shù)高的球閥或者蝶閥能更好地控制閥后氣相，從而減輕或防止出現(xiàn)空化或阻塞流。 3）當(dāng)閃蒸或氣蝕發(fā)生時(shí)，由于部分介質(zhì)氣化，體積增大，應(yīng)適當(dāng)選擇更大流通系數(shù)的閥門。 治本的方法： a）根據(jù)上文論述，不難理解，有效控制縮流處的壓力與閥門入口處飽和蒸汽壓的關(guān)系是關(guān)鍵所在。因此，通過工藝的角度提高閥前后壓力或者降低流體溫度都可以有效控制閃蒸、空化及阻塞流。 b）對于氣體的阻塞流現(xiàn)象，可通過降低流體流速或者提高閥后壓力的方法來控制，采用多級閥芯或者閥后添加限流孔板等方式，讓閥后形成憋壓，控制前后差壓在不出現(xiàn)閃蒸、空化及阻塞流的范圍內(nèi)，如此多級遞減，直至達(dá)到后續(xù)工況要求。當(dāng)然同樣的方法也適用于不可壓縮流體[4]。 需要指出的是，當(dāng)工藝條件一定時(shí)，閃蒸是不可避免的，而氣蝕或阻塞流是可以避免的。

圖1 P1恒定時(shí)Q與√△p的關(guān)系曲線

圖2 閥內(nèi)壓力梯度圖
2.2 調(diào)節(jié)閥閃蒸、空化及阻塞流的處理
處理的方法基本分為兩大類：
治標(biāo)的方法：
1）通過選用硬度更高的材料制作閥內(nèi)件，閥門能更好地應(yīng)對惡劣工況，有效延長閥門使用壽命。
2）選擇相對合理的閥門類型及流向，因?yàn)殚y門的壓力恢復(fù)系數(shù)與流道結(jié)構(gòu)及流向息息相關(guān)，壓力恢復(fù)系數(shù)的大小直接決定了閥門閥后壓力的恢復(fù)情況，進(jìn)而決定了閥門差壓及閥后的兩相流環(huán)境，因此在同樣的工況條件下，選擇壓力恢復(fù)系數(shù)低的單座閥要比選擇壓力恢復(fù)系數(shù)高的球閥或者蝶閥能更好地控制閥后氣相，從而減輕或防止出現(xiàn)空化或阻塞流。
3）當(dāng)閃蒸或氣蝕發(fā)生時(shí)，由于部分介質(zhì)氣化，體積增大，應(yīng)適當(dāng)選擇更大流通系數(shù)的閥門。
治本的方法：
1）根據(jù)上文論述，不難理解，有效控制縮流處的壓力與閥門入口處飽和蒸汽壓的關(guān)系是關(guān)鍵所在。因此，通過工藝的角度提高閥前后壓力或者降低流體溫度都可以有效控制閃蒸、空化及阻塞流。
2）對于氣體的阻塞流現(xiàn)象，可通過降低流體流速或者提高閥后壓力的方法來控制，采用多級閥芯或者閥后添加限流孔板等方式，讓閥后形成憋壓，控制前后差壓在不出現(xiàn)閃蒸、空化及阻塞流的范圍內(nèi)，如此多級遞減，直至達(dá)到后續(xù)工況要求。當(dāng)然同樣的方法也適用于不可壓縮流體。
需要指出的是，當(dāng)工藝條件一定時(shí)，閃蒸是不可避免的，而氣蝕或阻塞流是可以避免的。
3 閃蒸、空化及阻塞流的計(jì)算判斷與分析

3.1 需要了解幾個(gè)參數(shù)和概念
如圖2所示，
P1=閥前壓力
P2=閥后壓力
PV=閥門入口溫度下的飽和蒸汽壓
PVC=縮流斷面壓力
PVCR=縮流斷面阻塞流臨界壓力
PC=液體臨界壓力液體臨界壓力比系數(shù)FF：
 （1）壓力恢復(fù)系數(shù)FL（見圖2-1）：
 （2）比熱容比系數(shù)FK：（注：K為比熱容比系數(shù)） （3）臨界壓差比XT：
 （4）
（注：P1、P2為發(fā)生阻塞流時(shí)的閥前后壓力）壓差比X：
 （5）
（注：閥壓降與閥入口壓力之比）
3.2 不可壓縮流體的閃蒸、空化的判斷
 （6）
根據(jù)式（5）可知，由于FL可以由閥門廠家樣本或者相關(guān)資料查得，而P1、PV可以很方便地從工藝給出的數(shù)據(jù)中得知，此時(shí)的△P為發(fā)生閃蒸、空化的臨界條件，如果差壓P1-P2的值大于△P，則發(fā)生了閃蒸、空化，相反則未發(fā)生。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如果P1-P2大于則可能出現(xiàn)閃蒸，用此方法快速判斷閥門閃蒸情況。
而進(jìn)一步判斷是處于閃蒸、空化的哪個(gè)階段，則需要由閥后壓力P2來進(jìn)行判斷，如果P2小于PV則只發(fā)生了閃蒸；P2大于PV則既發(fā)生了閃蒸，也發(fā)生了空化。
3.3 不可壓縮流體阻塞流的判斷與計(jì)算
 （7）
根據(jù)式（6），若差壓P1-P2的值小于△P，則不會產(chǎn)生阻塞流；若差壓P1-P2的值大于△P，則會產(chǎn)生阻塞流。
3.4 可壓縮流體阻塞流的判斷與計(jì)算
對于可壓縮流體，因?yàn)椴淮嬖陂W蒸和空化現(xiàn)象，所以直接討論其阻塞流的判斷與計(jì)算。
 （8）
若X<FK*XT則不會出現(xiàn)阻塞流，若X≥FK*XT則會出現(xiàn)阻塞。
3.5 兩相流體阻塞流的判斷與計(jì)算
對于兩相流體混合均勻，且液體與氣體不發(fā)生相變的情況下，判斷阻塞流是否發(fā)生，比較困難，但是有兩個(gè)情況可以肯定，即氣體百分比為零和氣體百分比為的時(shí)候，是否形成阻塞流。由此可得如果式（7）和式（8）同時(shí)成立則可判斷有阻塞流形成。
4 實(shí)例
某煤制甲醇項(xiàng)目，甲醇合成工段，甲醇分離器放空管線循環(huán)氣調(diào)節(jié)閥，根據(jù)工藝要求選擇單座套筒調(diào)節(jié)閥，工藝參數(shù)如表1所示。
表1 調(diào)節(jié)閥工藝參數(shù)表

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥由于是氣體介質(zhì)，故不用考慮閃蒸和空化的問題，直接引用式（8）判別是否出現(xiàn)阻塞流的情況。
查表1可得進(jìn)口單座套筒型流開閥門的臨界壓差比XT=0.7

FK*XT=1.025*0.7=0.7175
由上可得X>FK*XT則會發(fā)生阻塞流
也可以反推，設(shè)臨界狀態(tài)下的閥門壓降為x
由求得x=3.37225Mpa
P2=4.7-3.37225=1.32775Mpa
即將閥后壓力控制在1.32775Mpa以上，方可達(dá)到防止阻塞流的目的。
根據(jù)上文介紹的處理方法和前面計(jì)算數(shù)據(jù)，選擇了多級套筒導(dǎo)向型單座調(diào)節(jié)閥，通過八級降壓，使每一級降壓都不致發(fā)生阻塞流，并對閥芯進(jìn)行了熱處理，以加強(qiáng)其硬度，多管齊下，確保安全。
5 結(jié)束語
本文對閥門的閃蒸、空化和阻塞流的成因和判別給出了相對系統(tǒng)的闡述，在工程設(shè)計(jì)中雖然有利用閃蒸來達(dá)到汽化目的的工藝，但對于常規(guī)工況，仍然需要減小它們的危害。當(dāng)前，多家廠商的閥門計(jì)算軟件都自帶阻塞流提醒功能。因此，在閥門選型中，只要加以注意，當(dāng)出現(xiàn)閃蒸、空化和阻塞流時(shí)，采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施，可優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約成本，zui重要的是可以提高閥門壽命，確保生產(chǎn)安全。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有角式平衡型截止閥設(shè)計(jì)說明