1 前言
   在計(jì)算控制閥流量時(shí)，定義CV為了控制閥門的流量系數(shù)，它是一個(gè)與閥門結(jié)構(gòu)、閥門前后壓差、入口流體密度和流體特性有關(guān)的系數(shù)。具體計(jì)算，包括：Q通過控制閥的流量，ρ控制閥前流體密度，N是工程單位系數(shù)，也是無量綱數(shù)，ΔP是控制閥前后壓差。不難看出，ΔP越大，CV值越小。
   但對(duì)于堵塞流條件下控制閥的計(jì)算，以上常規(guī)計(jì)算壓差ΔP＝P1－P1的確定方法不適用，會(huì)導(dǎo)致閥門計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致閥門選擇過小。以下是阻塞流條件的確定步驟和工況下計(jì)算差壓的確定，有利于正確的閥門選擇。
   在石化改造項(xiàng)目中，原80年代設(shè)計(jì)選擇了一個(gè)閥門。根據(jù)當(dāng)時(shí)的工藝數(shù)據(jù)，流量為1.8萬kg/h，閥前壓力P1=3.3MPaA，閥后壓力P2=0.86MPaA，壓差ΔP＝P1－P1＝2.44MPa，結(jié)合溫度密度等參數(shù)，帶入計(jì)算CV值，最后選了一個(gè)CV=17的2″口徑控制閥。然而，閥門在實(shí)際應(yīng)用中一直很小，業(yè)主反應(yīng)，即使閥門通常已經(jīng)完全打開，但使用仍然感覺很小，渴望重新計(jì)算閥門，重新選擇，選擇合適的閥門。由于工藝參數(shù)沒有改變，或者根據(jù)以前的工藝參數(shù)，作者再次計(jì)算CV值，發(fā)現(xiàn)沒有問題，CV值計(jì)算約等于4.962，選擇CV=17閥門應(yīng)該綽綽有余。為什么實(shí)際應(yīng)用太小？經(jīng)過深入研究，發(fā)現(xiàn)閥后壓力原因P2很小，堵塞流(閃蒸)的工況實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生了。因此，此時(shí)進(jìn)行CV值計(jì)算時(shí)，ΔP已經(jīng)不等于P1－P2的2.44MPa，當(dāng)阻塞流發(fā)生時(shí)，應(yīng)帶入相應(yīng)的臨界壓降ΔPcr。ΔPcr<ΔP，因此，原閥的計(jì)算過小。
   可以看出，通常情況下， ΔP＝P1－P2.即控制閥前壓力與閥后壓力的差異，即如果閥前壓力P1恒定，則ΔP閥后壓力P2.變化和變化，P2越小，則ΔP越大。但如果P2減少到一定值，控制閥流體堵塞，ΔP值不再等于P1－P2.需要重新考慮。以下是閥門堵塞流條件下的重點(diǎn)CV值計(jì)算時(shí)ΔP進(jìn)一步判斷閥門是閃蒸還是氣蝕，以及相應(yīng)工況下的處理措施。
   2 阻塞流的判斷
   堵塞流：控制閥門前的壓力P1.保持一定時(shí)間，逐漸降低閥后壓力P2時(shí)，流過控制閥的流量會(huì)逐漸增加，但當(dāng)閥后壓力增加時(shí)P2降低到一定值后，通過控制閥的流量達(dá)到最大限值Qmax，這時(shí)再降低P2.通過控制閥的流量不能再增加。通過控制閥流量的最大極限是阻塞流量（chockedflow）。如圖1所示。
圖1 流量與閥門兩端壓降的關(guān)系

   因此，P2越小，實(shí)際控制閥兩端的壓降大于阻塞流對(duì)應(yīng)的臨界壓降ΔPcr阻塞流會(huì)發(fā)生，即ΔP>ΔPcr時(shí)，閥門CV工藝給出的要求壓降不能用于計(jì)算值ΔP計(jì)算應(yīng)采用與阻塞流對(duì)應(yīng)的臨界壓降ΔPcr。也就是說，如果發(fā)生堵塞流，閥門前后仍然有壓差P1－P2帶入計(jì)算CV如果值，就會(huì)使ΔP變大，導(dǎo)致CV計(jì)算變小，最終導(dǎo)致閥門選擇變小，這是工程設(shè)計(jì)中不希望看到的。因此，設(shè)計(jì)師在計(jì)算可能堵塞流動(dòng)條件的閥門時(shí)應(yīng)特別注意。首先，確認(rèn)是否有堵塞流，以便選擇正確的流動(dòng)條件ΔP取值。
   對(duì)于不可壓縮流體，當(dāng)流體節(jié)流時(shí)，流量增加，壓力降低，最大流量有最小壓力。然而，當(dāng)節(jié)流時(shí)，流束的截面積并沒有立即擴(kuò)大，而是繼續(xù)縮小。因此，最大流量不是在節(jié)流處，而是在節(jié)流處下游的一個(gè)地方。這里稱為靜壓力最小，稱為Pvc。之后，隨著流束截面的擴(kuò)大，壓力增加，流速降低，但最終出口壓力無法恢復(fù)到入口壓力P1，而為P2.即流過控制閥后壓力恢復(fù)，但也存在不可恢復(fù)的壓力損失：ΔP＝P1－P2.如圖2所示。

圖2　靜縮流處示意圖

   不可壓縮流體堵塞流的原因是，當(dāng)壓力降低到小于流體的飽和蒸汽壓力時(shí)，當(dāng)流體通過控制閥和節(jié)流時(shí)，壓力會(huì)逐漸降低Pv，使部分液體蒸發(fā)，即使壓力再次減小，流量也不會(huì)再增加。這導(dǎo)致了阻塞流。
   對(duì)于不可壓縮流體，阻塞流的條件如下：
   ΔP＝P1－P2≥FL2（P1－Pvcr）＝ΔPcr （1）
   上式中，ΔP＝P1－P由工藝提出，很明顯。因此，關(guān)鍵是如何計(jì)算ΔPcr大小。下面具體討論。
   3 ΔPcr的計(jì)算
   堵塞流發(fā)生時(shí)，ΔPcr＝P1－Pcr＝FL2（P1－Pvcr），公式中有兩個(gè)未知的參數(shù)，Pvcr和FL，下面分別討論。
   3.1 Pvcr
   當(dāng)堵塞流發(fā)生時(shí)，靜縮流處最大流速對(duì)應(yīng)的最小壓力Pvc用Pvcr表示。Pvcr與液體介質(zhì)的物理特性有關(guān)：
   ΔPvcr＝FFPv （2）
   式中，Pv是液體飽和蒸汽壓力。FF它是液體的臨界壓力比系數(shù)，是液體在入口溫度下的飽和蒸汽壓力Pv液體的臨界壓力Pc比較函數(shù)，
   （3）
   由上式可知，F(xiàn)F只與液體的物理性質(zhì)和閥門的其他參數(shù)有關(guān)。
   進(jìn)而可知，Pvcr只有液體飽和蒸汽壓力Pv液體的臨界壓力Pc與其它參數(shù)無關(guān)。一旦確定了流過控制閥的液體，Pvcr確定了值。
   3.2　FL
   FL即壓力恢復(fù)系數(shù)，用于表示控制閥內(nèi)流體流經(jīng)縮流處后，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓的恢復(fù)能力。
   （4）
   FL與閥門和流路特性有關(guān)的函數(shù)。IEC推薦計(jì)算CV值時(shí)，當(dāng)直接流向單座柱塞閥時(shí)，取出FL=0.流關(guān)流向時(shí)，取FL=0.8.偏心旋轉(zhuǎn)閥在任意流向時(shí)取出FL=0.85。FL控制閥流路設(shè)計(jì)越小，壓力恢復(fù)系數(shù)越好，即收縮后，靜壓可恢復(fù)到接近入口的壓力。例如，蝶閥FL在0.5~0.在68之間，直通閥是高壓恢復(fù)閥FL在0.8~0.9之間是低壓恢復(fù)閥。通常，工藝提出ΔP越大，即P1和P2差越大，選擇低壓恢復(fù)閥更合適。
   這樣，就可以比較了ΔP和ΔPcr對(duì)于不可壓縮液體，阻塞流的條件是：ΔP≥ΔPcr
   即：P1－P2≥FL2（P1－Pvcr）＝FL2（P1－FFPv）（5）
   當(dāng)判斷出以上結(jié)論時(shí)，不難得出以下結(jié)論：ΔP≥2ΔPcr＝FL2（P1－FFPv））時(shí)，流量系數(shù)：
   中的差壓ΔP不等于工藝P1－P2，需要用ΔPcr代入計(jì)算，正確獲得CV值。
   回到本文開頭的例子。根據(jù)以上分析，作者重新計(jì)算了閥門CV值，其中CV值計(jì)算中帶入上式（1）的ΔP＝ΔPcr＝FL2（P1－FFPv），其中根據(jù)IEC的推薦取FL=0.九、飽和蒸汽壓Pv＝2.81MPaA，臨界壓力Pc=4.62MPaA，計(jì)算后可得ΔPcr＝0.985MPa，遠(yuǎn)小于工藝ΔP＝2.44MPa，這樣再計(jì)算CV值＝10.3.最終閥門選型結(jié)果:選擇CV值＝44的4″口徑控制閥。與之前選擇的相比。CV值＝17的2″口徑閥，新選擇的閥門，無論是直徑還是直徑CV值大得多，難怪原來的閥門在實(shí)際應(yīng)用中一直很小。換句話說，一旦工藝提到ΔP≥0.985MPa，也就是說，無論工藝給出什么，都發(fā)生了堵塞流工況P2多小，帶進(jìn)去CV值計(jì)算的ΔP不變，等于0.985MPa，這樣才能計(jì)算出正確的閥門CV本文開頭的例子是正確的，閥門選型。
   通過下表1，我們可以更清楚地看到，該閥門在20世紀(jì)80年代沒有進(jìn)行堵塞流判斷，采用常規(guī)算法導(dǎo)致閥門選擇口徑過小。

   4
   對(duì)于閥門，一旦ΔP>ΔPcr，堵塞流發(fā)生后，應(yīng)考慮閃蒸和氣蝕。此時(shí)，根據(jù)閥后的壓力P2.流體飽和蒸汽壓力Pv判斷大小。因此，首先判斷ΔP>ΔPcr的情況下：
   （1）若P2<Pv，靜縮流處的壓力Pvc直至閥出口靜壓P飽蒸汽壓力總是小于流體Pv，部分液體會(huì)發(fā)生相變，液體會(huì)蒸發(fā)為氣體，形成氣液兩相的狀態(tài)，就稱為閃蒸（flashing）；
   （2）若P2>Pv，首先，靜縮流處的壓力Pvc低于Pv，閃蒸時(shí)，一些液體會(huì)相變，液體會(huì)蒸發(fā)成氣體，在液相中產(chǎn)生氣泡，然后下游壓力會(huì)恢復(fù)，逐漸增加到閥出口的壓力P2.飽和蒸汽壓力大于流體Pv，然后，之前形成的氣泡潰瘍回復(fù)為液相，這種氣泡產(chǎn)生和破裂的整個(gè)過程稱為氣蝕（cavitation）。
   如圖3所示：

圖3 閃蒸及氣蝕工況閥門前后壓力變化示意圖

   在可能堵塞流的情況下計(jì)算閥門，該過程必須提供飽和蒸汽壓力Pv，臨界壓力Pc等流體的物理參數(shù)，方便儀表專業(yè)ΔPcr從而判斷ΔP和ΔPcr確認(rèn)是否有堵塞流。如果確實(shí)有堵塞流，然后判斷閥后的壓力P2.飽和蒸汽壓力Pv確認(rèn)是閃蒸還是氣蝕。
   也是本文開頭的例子。根據(jù)上述判斷步驟，閥門已發(fā)生堵塞流。然后根據(jù)工藝中提到的閥后壓力P2=0.86MPaA<飽和蒸汽壓Pv=2.81MPaA，所以不難看出，這個(gè)閥門已經(jīng)閃蒸了，這是一個(gè)閃蒸閥。
   4.1 閃蒸工況
   閃蒸條件可能是不可避免的，因?yàn)檫@是工藝要求。例如：液體氣化邊緣冷卻劑、材料進(jìn)入塔前的閃蒸分離等。但對(duì)于控制閥，閃蒸會(huì)對(duì)閥芯造成嚴(yán)重的沖刷損壞，其特點(diǎn)是沖刷表面光滑拋光，如圖4所示。沖刷最嚴(yán)重的地方通常位于流量最高的地方，通常位于閥芯與閥座環(huán)的接觸線上或附近。

圖4　閃蒸破環(huán)的典型外形圖

   因此，對(duì)于閃蒸條件下的閥門選擇，由于閃蒸是不可避免的，最好的方法是使用合適的幾何形狀和材料閥門，以盡可能減少損壞。主要如下：
   (1)選擇合適的控制閥類型和流向。不同的控制閥和流向有不同的壓力恢復(fù)系數(shù)FL大型閥門類型和流向可防止堵塞流。例如，對(duì)于易于蒸發(fā)的液體，不應(yīng)選擇高壓恢復(fù)的球閥或蝶閥，而應(yīng)選擇低壓恢復(fù)的單座閥。
   (2)盡可能硬化這些表面。一般來說，材料越硬，耐沖刷時(shí)間越長(zhǎng)。
   (3)降低沖刷流體的速度。設(shè)計(jì)合理的流路，降低下游流體的流速，從而降低沖刷速度。例如，擴(kuò)徑管設(shè)置在控制閥下游。
   4.2 氣蝕工況
   氣蝕條件應(yīng)盡量避免，因?yàn)榇藭r(shí)閥門內(nèi)有液體氣體和氣體再變化過程。當(dāng)氣體變回液體時(shí)，氣泡破裂釋放大量能量，同時(shí)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)和侵蝕。在這種情況下，閥門的使用壽命將大大縮短。鍋爐給水泵旁路閥等典型工況。
   氣蝕的破壞特點(diǎn)是表面有粗糙的煤渣形狀，如下圖5所示。它明顯不同于閃蒸引起的光滑拋光形狀。

圖5 氣蝕破環(huán)典型外觀圖

   從前面的分析可以看出，氣蝕是由靜縮流引起的Pvc小于Pv，而閥后P2又大于Pv因此，消除和減少氣蝕的措施如下：
   (1)控制壓降，避免氣蝕，防止損壞。例如，通過多級(jí)降壓，控制閥的壓降可以分為幾個(gè)級(jí)別，每個(gè)級(jí)別的壓降可以確保不會(huì)使緊縮流Pvc小于飽和蒸汽壓Pv，從而消除氣泡的產(chǎn)生，不會(huì)產(chǎn)生氣蝕。
   (2)如果不能消除氣蝕，應(yīng)盡量減少或隔離其損壞，并采用類似閃蒸解決方案的方法，如提高材料硬度、降低流速等，盡量減少氣蝕的影響。
   (3)采用合理的工藝系統(tǒng)，合理分配工藝管道壓力，提高閥后壓力P2，使緊縮流處Pvc一旦Pvc提高飽和蒸汽壓力Pv以上，不可能發(fā)生堵塞流，也不會(huì)發(fā)生氣蝕。例如，將控制閥安裝在下游靜壓較高的位置，并增加限流孔板。
   5 結(jié)束語
   在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師正在進(jìn)行液體控制閥CV在計(jì)算值時(shí)，應(yīng)特別注意ΔP取值。如果閥后壓力P2減少到堵塞流，ΔP的值不等于閥門前后的壓差，而應(yīng)等于阻塞流時(shí)的臨界壓降ΔPcr。選對(duì)的ΔP可有效避免取值CV計(jì)算過小，導(dǎo)致閥門選擇過小。一旦確定堵塞流條件，就可以進(jìn)一步判斷是閃蒸條件還是氣蝕條件，從而采取正確的處理措施，選擇正確的閥門類型，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。
   參考文獻(xiàn)：
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