作 者： 周超群
摘 要： 通過對(duì)控制閥的原理、流量特性、結(jié)構(gòu)類型的闡述，介紹了三通控制閥在藍(lán)星0kt/a有機(jī)硅單體工程項(xiàng)目中的應(yīng)用。
1 控制閥的節(jié)流原理

從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，控制閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件，對(duì)不可壓縮流體，由伯努利方程可以求得通過控制閥的流體流量（如式（1）。

式中 q_V———體積流量；

p₁———閥前壓力；

p₂———閥后壓力；

A———節(jié)流面積；

ξ———控制閥的阻力系數(shù)；

ρ———流體的密度。

由式（1）可見，當(dāng)A一定，p_1–p₂不變時(shí)，q_V僅隨控制閥阻力系數(shù)的變化而變化：若ξ減小，則q_V增大；反之，若ξ增大，則q_V減小?？刂崎y就是根據(jù)控制信號(hào)的大小和方向改變閥芯的行程來改變閥的阻力系數(shù)，以達(dá)到調(diào)節(jié)流體流量的目的。

式中C———控制閥的流通能力。

C的定義：溫度為5～40℃的水，當(dāng)控制閥全開，閥兩端的壓差為0.1MPa，每小時(shí)流經(jīng)控制閥的流量數(shù)（m³/h）。中國控制閥流量系數(shù)將由C系列變?yōu)镵_V系列。C和K_V之間的關(guān)系為：K_V=1.01C。

2 控制閥的流量特性

指介質(zhì)流過控制閥的相對(duì)流量與控制閥的相對(duì)開度之間的關(guān)系，如式（2）所列。

q_V/q_Vmax=f（l/l_max）（2）

式中q_V/qV_max———相對(duì)流量，即控制閥某一開度下的流量與全開流量之比；

l/l_max———相對(duì)開度，即控制閥某一開度下的行程與全開時(shí)行程之比。

一般來說，改變控制閥的閥芯與閥座之間的節(jié)流面積便可調(diào)節(jié)流量，但實(shí)際上由于各種因素的影響，在節(jié)流面積變化的同時(shí)，還會(huì)發(fā)生閥門前后壓差的變化，而壓差的變化也會(huì)引起流量的變化。因此，流量特性有理想流量特性和工作流量特性。

2.1 理想流量特性

控制閥在前后壓差恒定的情況下得到的流量特性稱為理想流量特性（也叫固有流量特性）。理想流量特性取決于閥門本身（閥芯輪廓曲線、加工粗糙度等），廠家提供的樣本上就是這種特性。較為典型的理想流量特性有直線流量特性、等百分比（對(duì)數(shù)）流量特性、快開流量特性和拋物線流量特性。

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2.2 工作流量特性

控制閥的工作流量特性是指控制閥在前后壓差隨負(fù)荷變化的工作條件下，控制閥的相對(duì)開度與相對(duì)流量之間的關(guān)系。在實(shí)際使用時(shí)，控制閥大多裝在具有阻力的管道上，控制閥前后的壓差不能保持不變，雖在同一開度下，通過控制閥的流量將與理想流量特性所對(duì)應(yīng)的流量不同，有時(shí)流量特性會(huì)發(fā)生較大的畸變。

3 三通控制閥

三通閥有3個(gè)出入口與管道相連，按作用方式可分為合流和分流兩種，合流是兩種流體通過閥時(shí)混合產(chǎn)生第3種流體，或者2種不同溫度的流體通種閥有2個(gè)進(jìn)口和1個(gè)出口。分流是把1種流體通過閥后分成2路，當(dāng)閥在關(guān)閉1個(gè)出口的同時(shí)就打開另1個(gè)出口，這種閥有1個(gè)入口和2個(gè)出口。

三通閥是由直通單、雙座控制閥改型而成，在原來的下閥蓋處改為接管，即形成三通。三通閥的閥芯結(jié)構(gòu)采用圓筒薄壁窗口形，并采用閥芯側(cè)面導(dǎo)向，而不同于柱塞形閥芯的襯套導(dǎo)向，這樣可使閥芯導(dǎo)向方便，結(jié)構(gòu)簡單，流通能力不致降低。合流閥和分流閥的閥芯形狀不一樣，合流閥的閥芯位于閥座內(nèi)部，分流閥的閥芯位于閥座外部，這樣設(shè)計(jì)的閥芯，可使流體的流動(dòng)方向?qū)㈤y芯處于流開狀態(tài)，閥能穩(wěn)定操作，所以，合流閥必須用于合流的場合，分流閥必須用于分流的場合。當(dāng)DN<80mm時(shí)，由于不平衡力較小，合流閥也可以用于分流的場合。三通閥的閥芯不能像雙座閥那樣反裝使用，因此，三通閥氣關(guān)、氣開的選擇必須采用正、反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

4 三通控制閥的應(yīng)用

下面介紹三通控制閥在藍(lán)星100kt/a有機(jī)硅單體工程項(xiàng)目中反應(yīng)部分導(dǎo)熱油系統(tǒng)中的應(yīng)用，其工藝流程如圖1所示。

該反應(yīng)系統(tǒng)是在銅催化劑作用下，以硅粉和氯甲烷為生產(chǎn)原料，在流化床反應(yīng)器中直接合成粗甲基氯硅烷混合含塵氣體，利用一級(jí)旋風(fēng)除塵器除塵后，合成氣進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)中凈化分離，最終生成甲基單體。

每周期開車前，先用導(dǎo)熱油對(duì)流化床反應(yīng)器硅粉床層升溫，來自反應(yīng)器粉料氣流輸送機(jī)的干燥粉料，以及來自氯甲烷氣體過熱器的過熱氯甲烷氣體，被導(dǎo)熱油預(yù)熱到合成反應(yīng)開始的溫度，在銅催化劑催化條件下，使氯甲烷與硅粉進(jìn)行合成放熱反應(yīng)。放熱產(chǎn)生的熱量被導(dǎo)熱油帶出，用于產(chǎn)生中壓飽和水蒸汽。

反應(yīng)器的導(dǎo)熱油加熱結(jié)構(gòu)分兩部分，反應(yīng)器外部為半管夾套，保證外部熱量分布均勻；反應(yīng)器內(nèi)部為指型管加熱，指型管均勻分布使傳熱均勻，反應(yīng)器開車升溫及正常反應(yīng)冷卻采用導(dǎo)熱油提供和帶走熱量，回收反應(yīng)熱用以副產(chǎn)中壓蒸汽。

開車階段，流化床反應(yīng)器（R-201）需進(jìn)行升溫時(shí)，先向反應(yīng)導(dǎo)熱油罐（D-801）注入一定量的導(dǎo)熱油，開啟反應(yīng)導(dǎo)熱油泵，將導(dǎo)熱油送進(jìn)流化床反應(yīng)器內(nèi)部的指型循環(huán)管和外部的半管夾套，進(jìn)行流化床反應(yīng)器的床層升溫。返回D-801降溫后的導(dǎo)熱油，再次進(jìn)行循環(huán)加熱。當(dāng)流化床反應(yīng)器的床層溫度達(dá)到指定值時(shí)，通入過熱氯甲烷開始正常生產(chǎn)。正常生產(chǎn)時(shí)，用導(dǎo)熱油吸收合成反應(yīng)放出的熱量。導(dǎo)熱油進(jìn)反應(yīng)器時(shí)的溫度為250℃，出反應(yīng)器時(shí)的溫度升到260℃。導(dǎo)熱油出反應(yīng)器后直接進(jìn)入反應(yīng)導(dǎo)熱油罐，與反應(yīng)導(dǎo)熱油泵旁路返回的導(dǎo)熱油混合。

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反應(yīng)導(dǎo)熱油泵把加熱后的導(dǎo)熱油經(jīng)三通閥（TV-418021A），一部分送到廢熱鍋爐（E-801）；另一部分進(jìn)入流化床反應(yīng)器（R-201）。兩部分的流量是由三通控制閥的閥芯同步反向調(diào)節(jié)三通閥的A、B出口的開度來分配，這種流量調(diào)節(jié)方式無節(jié)流，流阻小，作用在閥上的壓力相對(duì)較小，不會(huì)對(duì)泵產(chǎn)生背壓，使導(dǎo)熱油泵的導(dǎo)熱油流量保持恒定。若流化床反應(yīng)器的溫度發(fā)生變化，溫度信號(hào)經(jīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算，控制三通閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)該閥的閥芯動(dòng)作，從而改變了三通閥的A、B口的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。假設(shè)R-201溫度偏高，TIC-418023調(diào)節(jié)器將起作用：一是加大進(jìn)入到R-201中的導(dǎo)熱油流量，以移走R-201中更多的熱量，使溫度降下來。同時(shí)，TIC-418023還要改變調(diào)節(jié)器TIC-2418021的設(shè)定值，使其輸出變化，從而改變?nèi)ㄩyTV-418021A/B閥門的開度———首先加大進(jìn)入E-801的流量，利用E-801降低進(jìn)入的導(dǎo)熱油的溫度，從而降低R-201的溫度，在E-801中，利用被加熱的導(dǎo)熱油的熱量，生產(chǎn)1.0MPa（G）的飽和蒸汽，換熱后的導(dǎo)熱油直接進(jìn)入反應(yīng)器；如果出E-801的導(dǎo)熱油溫度偏高，即此時(shí)R-201的溫度還繼續(xù)偏高，則利用導(dǎo)熱油冷卻器（E2802）處的三通閥（TV-418021B），將導(dǎo)熱油轉(zhuǎn)向旁路去導(dǎo)熱油冷卻器，E-802用循環(huán)冷卻水冷卻，即改變?nèi)ㄩyTV-418021B的B出口，進(jìn)入E-802的油量加大，E-802冷卻后的導(dǎo)熱油與經(jīng)TV-418021A的主流導(dǎo)熱油在靜態(tài)混合器中充分混合后去流化床反應(yīng)器，便更多地降低導(dǎo)熱油的溫度，最終能用導(dǎo)熱油移走R-201中更多熱量，使R-201的溫度回到設(shè)定值上。由三通控制閥（FV-418021）定量控制的導(dǎo)熱油進(jìn)流化床反應(yīng)器半管夾套管，余下的導(dǎo)熱油去流化床反應(yīng)器內(nèi)部指型循環(huán)管束。

在有機(jī)硅單體的生產(chǎn)過程中，反應(yīng)部分是非常關(guān)鍵的，反應(yīng)器控制得好與壞將直接影響到最終產(chǎn)品———甲基單體的產(chǎn)量和質(zhì)量。由于甲基單體合成的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，合成反應(yīng)的操作溫度需控制在300℃左右，因此及時(shí)把多余的熱量移走，才能保證反應(yīng)的順利進(jìn)行。鑒于該反應(yīng)控制的重要性和關(guān)鍵性，對(duì)反應(yīng)器的控制采用了反應(yīng)靈敏、調(diào)節(jié)速度快且控制性能穩(wěn)定，同時(shí)又不是非常復(fù)雜的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以反應(yīng)器溫度（TT-418023）作為主調(diào)參數(shù)，反應(yīng)器入口的導(dǎo)熱油溫度（TT-418021）作為副調(diào)參數(shù)，2臺(tái)三通控制閥（TV-418021A/B）作為副環(huán)的被調(diào)對(duì)象，當(dāng)導(dǎo)熱油流量、溫度發(fā)生變化，TT-418021引起波動(dòng)，副調(diào)節(jié)器TIC-418021）立即進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過TV-418021A/B的開度變化，改變至廢熱鍋爐及導(dǎo)熱油冷卻器的導(dǎo)熱油量來達(dá)到不影響到反應(yīng)器溫度的目的。如果導(dǎo)熱油流量、溫度變化很大，影響到反應(yīng)器入口溫度（TT-418021）及反應(yīng)器溫度（TT-2418023）的變化，這時(shí)主調(diào)節(jié)（TIC-418023）的輸出開始發(fā)生變化，對(duì)副調(diào)節(jié)器（TIC-418021）來說，它將接受給定值與測(cè)量值兩方面的變化，從而加速了調(diào)節(jié)過程，但此調(diào)節(jié)過程依然通過改變TV-418021A/B的開度實(shí)現(xiàn)。除了上述通過串級(jí)控制回路來控制流化床反應(yīng)器的溫度外，還由反應(yīng)導(dǎo)熱油泵的回流流量來調(diào)節(jié)，加快了調(diào)節(jié)進(jìn)程。

綜上所述，在反應(yīng)導(dǎo)熱油控制系統(tǒng)中采用了3臺(tái)三通控制閥，可以省掉3臺(tái)二通閥和3臺(tái)三通接管，既能簡單、有效地進(jìn)行控制，根據(jù)反應(yīng)器所需的熱量進(jìn)行流量分配，同時(shí)又能保證半管夾套及指型管內(nèi)的流量穩(wěn)定，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，完全滿足工藝要求。