控制阀在堵塞流条件下的计算和选择

在计算控制阀流量时，定义Cv为了控制阀门的流量系数，它与阀门结构、阀门前后压差、入口流体密度和流体特性有关。Cv＝，其中：q通过控制阀的流量；ρ₁控制阀前流体密度；N是工程单位系数，也是无量纲；Δp是控制阀前后的压差。不难看出，Δp越大，Cv值越小。但对于堵塞流条件下控制阀的计算，上述常规计算压差Δp＝p₁－p₂该方法不适用，会导致阀门计算错误，使阀门选择过小。作者通过实例介绍了堵塞流条件的判断步骤和工况下计算压差的确定，有利于正确的阀门选择。

根据当时的工艺数据和流量，在一个石化改造项目中，有一个阀门是在20世纪80年代设计和选择的。q_m＝18000kg/h，阀前压力p₁＝3.3MPa（A），阀后压力p₂＝0.86MPa（A），压差Δp＝2.44MPa，结合温度、密度等参数计算Cv值，最后选了一个Cv＝17，口径为5.08cm（2in）控制阀。然而，阀门在实际应用中一直很小，业主反应，即使阀门通常完全打开，但使用仍然很小，迫切希望重新计算和选择阀门。经过深入研究，发现由于阀后的压力p₂很小，堵塞流(闪蒸)的工况实际发生了，此时进行了Cv值计算时，Δp≠2.44MPa，应代入阻塞流时相应的临界压降Δpcr。而Δpcr＜p₁－p₂＝2.44MPa，原阀的计算过小。

可以看出，通常情况下，Δp＝p₁－p₂，也就是说，如果阀阀后压力的差异p₁恒定，则Δp阀后压力p2.变化和变化，p₂越小，则Δp越大。如果p₂降低到一定的值，经过控制阀的流体发生了阻塞流的情况，Δp值不再等于p₁－p₂，需要重新考虑。作者重点讨论了堵塞流条件下的阀门Cv值计算时Δp进一步判断阀门是闪蒸、气蚀、相应工况下的处理措施。

判断1 阻塞流

控制阀门前的压力p₁保持一定时间，逐渐降低阀后压力p₂当阀后压力增加时，流过控制阀的流量会逐渐增加p2降低到一定值后，通过控制阀的流量达到最大限值q_max，这时再降低p₂通过控制阀的流量不能再增加，最大限值是阻塞流量（chockedFLow）。因此，p₂实际控制阀两端的压降越小，阻塞流对应的临界压降越大Δp_cr阻塞流会发生，即Δp＞Δp_cr时，阀门Cv值的计算就不能采用工艺给的压降Δp为了计算，应对应的临界压降进行计算Δp_cr。因此，设计人员在计算可能出现堵塞流条件的阀门时，应特别注意确认是否确实出现堵塞流，以便选择正确的阀门Δp取值。

对于不可压缩流体，当流体节流时，流量增加，压力降低，最大流量有最小压力。然而，当节流时，流束的截面积并没有立即扩大，而是继续缩小，所以最大流量不是在节流处，而是在节流处下游，称为静收缩处，压力最小，称为p_vc。之后，随着流束截面的扩大，压力增加，流速降低，但最终出口压力无法恢复到入口压力p₁，而为p₂，也就是说，流过控制阀后压力恢复，但也存在不可恢复的压力损失。

当压力降低到小于流体的饱和蒸汽压力时，不可压缩流体堵塞流的原因是流体通过控制阀后，压力会逐渐降低p_v，使部分液体蒸发，即使压力再次降低，流量也不再增加，导致堵塞流。对于不可压缩流体，堵塞流的条件如下：

   （1）

式中：p_vcr———阻塞流发生时，静收缩流处最大流速对应的最小压力p_vc，此时的p_vc用p_vcr表示；FL———压力恢复系数。Δp很明显，关键是如何计算Δp_cr的大小。

2 Δp_cr的计算

当堵塞流发生时，相应的临界压降Δp_cr＝F²_L（p₁-p_vcr），以下就p_vcr和FL分别讨论。

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2.1 p_vcr的计算

当堵塞流发生时，静缩流处最大流速对应的最小压力p_vc用p_vcr表示。p_vcr与液体介质的物理特性有关：

   （2）

式中：p_v———液体饱和蒸汽压力；F_F———液体的临界压力比系数是入口温度下的液体p_v液体的临界压力p_c比例函数：

       （3）

由式(3)可知，F_F只与液体的物理性质和阀门的其他参数有关。p_vcr也只液体p_v和p_c与其它参数无关。一旦确定了流过控制阀的液体，p_vcr确定了值。

2.2 F_L的计算

FL用于表示控制阀内流体流经缩流处后，动能转化为静压的恢复能力。

   （4）

FL与阀门和流路特性有关的函数。IEC推荐计算Cv当单座柱塞阀流开流向时，取出值F_L＝0.流关流向时，取F_L＝0.8.偏心旋转阀在任意流向时取出F_L＝0.85。FL控制阀流路设计越小，压力恢复系数越好，即收缩后，静压可恢复到接近入口的压力。例如：蝶阀FL在0.5～0.68为高压恢复阀；直通阀F_L在0.8～0.9.为低压恢复阀。通常，工艺提出Δp越大，即p₁和p₂差值越大，选择低压恢复阀越合适。比较过程中提到的压降Δp与流下阻塞对应Δp_cr对于不可压缩液体，阻塞流的条件是：

   （5）

由式(5)得出：当Δp≥Δp_cr＝F²_L（p₁-F_Fp_v）时，Cv计算公式中的Δp用Δp_cr代入计算，正确获得Cv值。

针对上述实例，作者重新计算了阀门Cv值。首先，需要判断阀门是否有堵塞流。相应的堵塞流下Δp_cr＝F²_L（（p₁-F_Fp_v），其中根据IEC的推荐取F_L＝0.9，p_v＝2.81MPa（A），p_c＝4.62MPa（A），计算后可得Δp_cr＝0.985MPa，远小于工艺Δp＝2.44MPa，可以判断这个阀门已经堵塞了流量。因此，计算Cv值得10.3，而不是之前计算的4.962，了962Cv＝44，口径为10.16cm（4in）的控制阀。

3 闪蒸和气蚀工况

对于阀门，一旦Δp＞Δp_cr，堵塞流发生后，应考虑闪蒸和气蚀。此时，根据p₂和p_v判断大小。因此，首先判断Δp＞Δp_cr如果p₂＜p_v，静缩流处的压力p_vc直至阀出口静压p₂总是小于流体p_v，有些液体会相变，液体会蒸发成气体，形成气液两相的状态，称为闪蒸（flashing）；若p₂＞p_v，首先，静缩流处的压力p_vc低于_pv，闪蒸时，一些液体会相变，液体会蒸发成气体，在液相中产生气泡，然后下游压力会恢复，逐渐增加到阀出口的压力p₂比流体大p_v，然后，之前形成的气泡再次破裂，恢复为液相。这种气泡产生和破裂的整个过程称为气蚀（cavitation）。如图1所示。

图1 闪蒸和气蚀工况阀门前后压力变化示意图

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阀门计算可能发生堵塞流时，必须提供工艺p_v，p_c仪表设计的物理参数，方便仪表设计师Δp_cr从而判断Δp和Δp_cr确认是否有堵塞流。如果发生堵塞流，则进行比较p₂和p_v确认是闪蒸还是气蚀。

针对上述实例，由上述的判别步骤得知，该阀门已经发生阻塞流的工况。再根据工艺所提的p₂＝0.86MPa（A）＜p_v＝2.81MPa（A），可以看出，此阀门已发生了闪蒸工况，这是1台闪蒸阀。

3.1 闪蒸工况

闪蒸条件在某些工艺要求中可能是不可避免的，但对于控制阀，闪蒸会对阀芯造成严重的冲刷损坏，其特点是冲刷表面光滑抛光。冲刷最严重的地方通常位于流量最大的地方，通常位于阀芯与阀座环的接触线上或附近。因此，对于会出现闪蒸条件的阀门，由于闪蒸是不可避免的，最好的方法是使用合适的几何形状和材料的阀门，以尽可能减少损坏。选择时应注意以下方面：

1）选择合适的控制阀类型和流向。不同的控制阀和流向，其压力恢复系数不同，选用F_L大型阀门类型和流向可防止堵塞流。例如，对于易于蒸发的液体，不应选择高压恢复的球阀或蝶阀，而应选择低压恢复的单座阀。

2）提高材质硬度。通常来说，材料越硬，抗冲刷越久。

3)降低冲刷流体的速度。设计合理的流路，降低下游流体的流速，从而降低冲刷速度。例如，扩径管设置在控制阀下游。

3.2 气蚀工况

气蚀条件应尽量避免。气蚀过程中，阀门内发生液体变化，气体再变化。当气体变回液体时，气泡破裂会释放大量能量，同时产生噪声、振动和侵蚀。在这种情况下，阀门的使用寿命将大大缩短。锅炉给水泵旁路阀等典型工况。

根据上分析可以看出，气蚀是由静缩流引起的p_vc小于p_v，而阀后p₂大于p_v因此，消除和减少气蚀的措施如下：

1）控制压降，避免气蚀，防止损坏。例如，通过多级降压，控制阀的压降可以分为几个级别，每个级别的压降可以确保不会使紧缩流p_vc小于p_v，从而消除气泡的产生，不会产生气蚀。

2)如果不能消除气蚀，应尽量减少或隔离其损坏，采用类似闪蒸解决方案的方法，如提高材料硬度、降低流量等，尽量减少气蚀的影响。

3)采用合理的工艺系统，合理分配工艺管道压力，增加压力p₂，使紧缩流处p_vc也增大。若p_vc增大到p_v以上避免了堵塞流和气蚀。例如，将控制阀安装在下游静压较高的位置，并增加限流孔板。

4 结束语

在工程设计中，设计师正在进行液体控制阀Cv在计算值时，应特别注意Δp如果p2减少到堵塞流，Δp值不等于阀门前后的压差，而应等于堵塞流量Δp_cr。选择正确的Δp，可有效避免Cv计算过小，导致阀门选型过小的问题。同时，一旦判断出发生了阻塞流工况，还可以进一步判断是发生闪蒸工况，还是气蚀工况，从而采用正确的处理措施，选择正确的阀门类型，延长阀门的使用寿命。