在計(jì)算控制閥流量時(shí)，定義Cv為了控制閥門(mén)的流量系數(shù)，它與閥門(mén)結(jié)構(gòu)、閥門(mén)前后壓差、入口流體密度和流體特性有關(guān)。Cv＝，其中：q通過(guò)控制閥的流量；ρ₁控制閥前流體密度；N是工程單位系數(shù)，也是無(wú)量綱；Δp是控制閥前后的壓差。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，上述常規(guī)計(jì)算壓差Δp＝p₁－p₂該方法不適用，會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)計(jì)算錯(cuò)誤，使閥門(mén)選擇過(guò)小。作者通過(guò)實(shí)例介紹了堵塞流條件的判斷步驟和工況下計(jì)算壓差的確定，有利于正確的閥門(mén)選擇。

根據(jù)當(dāng)時(shí)的工藝數(shù)據(jù)和流量，在一個(gè)石化改造項(xiàng)目中，有一個(gè)閥門(mén)是在20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)和選擇的。q_m＝18000kg/h，閥前壓力p₁＝3.3MPa（A），閥后壓力p₂＝0.86MPa（A），壓差Δp＝2.44MPa，結(jié)合溫度、密度等參數(shù)計(jì)算Cv值，最后選了一個(gè)Cv＝17，口徑為5.08cm（2in）控制閥。然而，閥門(mén)在實(shí)際應(yīng)用中一直很小，業(yè)主反應(yīng)，即使閥門(mén)通常完全打開(kāi)，但使用仍然很小，迫切希望重新計(jì)算和選擇閥門(mén)。經(jīng)過(guò)深入研究，發(fā)現(xiàn)由于閥后的壓力p₂很小，堵塞流(閃蒸)的工況實(shí)際發(fā)生了，此時(shí)進(jìn)行了Cv值計(jì)算時(shí)，Δp≠2.44MPa，應(yīng)代入阻塞流時(shí)相應(yīng)的臨界壓降Δpcr。而Δpcr＜p₁－p₂＝2.44MPa，原閥的計(jì)算過(guò)小。

可以看出，通常情況下，Δp＝p₁－p₂，也就是說(shuō)，如果閥閥后壓力的差異p₁恒定，則Δp閥后壓力p2.變化和變化，p₂越小，則Δp越大。如果p₂降低到一定的值，經(jīng)過(guò)控制閥的流體發(fā)生了阻塞流的情況，Δp值不再等于p₁－p₂，需要重新考慮。作者重點(diǎn)討論了堵塞流條件下的閥門(mén)Cv值計(jì)算時(shí)Δp進(jìn)一步判斷閥門(mén)是閃蒸、氣蝕、相應(yīng)工況下的處理措施。

判斷1 阻塞流

控制閥門(mén)前的壓力p₁保持一定時(shí)間，逐漸降低閥后壓力p₂當(dāng)閥后壓力增加時(shí)，流過(guò)控制閥的流量會(huì)逐漸增加p2降低到一定值后，通過(guò)控制閥的流量達(dá)到最大限值q_max，這時(shí)再降低p₂通過(guò)控制閥的流量不能再增加，最大限值是阻塞流量（chockedFLow）。因此，p₂實(shí)際控制閥兩端的壓降越小，阻塞流對(duì)應(yīng)的臨界壓降越大Δp_cr阻塞流會(huì)發(fā)生，即Δp＞Δp_cr時(shí)，閥門(mén)Cv值的計(jì)算就不能采用工藝給的壓降Δp為了計(jì)算，應(yīng)對(duì)應(yīng)的臨界壓降進(jìn)行計(jì)算Δp_cr。因此，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算可能出現(xiàn)堵塞流條件的閥門(mén)時(shí)，應(yīng)特別注意確認(rèn)是否確實(shí)出現(xiàn)堵塞流，以便選擇正確的閥門(mén)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(méi)有立即擴(kuò)大，而是繼續(xù)縮小，所以最大流量不是在節(jié)流處，而是在節(jié)流處下游，稱(chēng)為靜收縮處，壓力最小，稱(chēng)為p_vc。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(wú)法恢復(fù)到入口壓力p₁，而為p₂，也就是說(shuō)，流過(guò)控制閥后壓力恢復(fù)，但也存在不可恢復(fù)的壓力損失。

當(dāng)壓力降低到小于流體的飽和蒸汽壓力時(shí)，不可壓縮流體堵塞流的原因是流體通過(guò)控制閥后，壓力會(huì)逐漸降低p_v，使部分液體蒸發(fā)，即使壓力再次降低，流量也不再增加，導(dǎo)致堵塞流。對(duì)于不可壓縮流體，堵塞流的條件如下：

   （1）

式中：p_vcr———阻塞流發(fā)生時(shí)，靜收縮流處最大流速對(duì)應(yīng)的最小壓力p_vc，此時(shí)的p_vc用p_vcr表示；FL———壓力恢復(fù)系數(shù)。Δp很明顯，關(guān)鍵是如何計(jì)算Δp_cr的大小。

2 Δp_cr的計(jì)算

當(dāng)堵塞流發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的臨界壓降Δp_cr＝F²_L（p₁-p_vcr），以下就p_vcr和FL分別討論。

♂

2.1 p_vcr的計(jì)算

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p_vc用p_vcr表示。p_vcr與液體介質(zhì)的物理特性有關(guān)：

   （2）

式中：p_v———液體飽和蒸汽壓力；F_F———液體的臨界壓力比系數(shù)是入口溫度下的液體p_v液體的臨界壓力p_c比例函數(shù)：

       （3）

由式(3)可知，F(xiàn)_F只與液體的物理性質(zhì)和閥門(mén)的其他參數(shù)有關(guān)。p_vcr也只液體p_v和p_c與其它參數(shù)無(wú)關(guān)。一旦確定了流過(guò)控制閥的液體，p_vcr確定了值。

2.2 F_L的計(jì)算

FL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(mén)和流路特性有關(guān)的函數(shù)。IEC推薦計(jì)算Cv當(dāng)單座柱塞閥流開(kāi)流向時(shí)，取出值F_L＝0.流關(guān)流向時(shí)，取F_L＝0.8.偏心旋轉(zhuǎn)閥在任意流向時(shí)取出F_L＝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0.5～0.68為高壓恢復(fù)閥；直通閥F_L在0.8～0.9.為低壓恢復(fù)閥。通常，工藝提出Δp越大，即p₁和p₂差值越大，選擇低壓恢復(fù)閥越合適。比較過(guò)程中提到的壓降Δp與流下阻塞對(duì)應(yīng)Δp_cr對(duì)于不可壓縮液體，阻塞流的條件是：

   （5）

由式(5)得出：當(dāng)Δp≥Δp_cr＝F²_L（p₁-F_Fp_v）時(shí)，Cv計(jì)算公式中的Δp用Δp_cr代入計(jì)算，正確獲得Cv值。

針對(duì)上述實(shí)例，作者重新計(jì)算了閥門(mén)Cv值。首先，需要判斷閥門(mén)是否有堵塞流。相應(yīng)的堵塞流下Δp_cr＝F²_L（（p₁-F_Fp_v），其中根據(jù)IEC的推薦取F_L＝0.9，p_v＝2.81MPa（A），p_c＝4.62MPa（A），計(jì)算后可得Δp_cr＝0.985MPa，遠(yuǎn)小于工藝Δp＝2.44MPa，可以判斷這個(gè)閥門(mén)已經(jīng)堵塞了流量。因此，計(jì)算Cv值得10.3，而不是之前計(jì)算的4.962，了962Cv＝44，口徑為10.16cm（4in）的控制閥。

3 閃蒸和氣蝕工況

對(duì)于閥門(mén)，一旦Δp＞Δp_cr，堵塞流發(fā)生后，應(yīng)考慮閃蒸和氣蝕。此時(shí)，根據(jù)p₂和p_v判斷大小。因此，首先判斷Δp＞Δp_cr如果p₂＜p_v，靜縮流處的壓力p_vc直至閥出口靜壓p₂總是小于流體p_v，有些液體會(huì)相變，液體會(huì)蒸發(fā)成氣體，形成氣液兩相的狀態(tài)，稱(chēng)為閃蒸（flashing）；若p₂＞p_v，首先，靜縮流處的壓力p_vc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比流體大p_v，然后，之前形成的氣泡再次破裂，恢復(fù)為液相。這種氣泡產(chǎn)生和破裂的整個(gè)過(guò)程稱(chēng)為氣蝕（cavitation）。如圖1所示。

圖1 閃蒸和氣蝕工況閥門(mén)前后壓力變化示意圖

♂

閥門(mén)計(jì)算可能發(fā)生堵塞流時(shí)，必須提供工藝p_v，p_c儀表設(shè)計(jì)的物理參數(shù)，方便儀表設(shè)計(jì)師Δp_cr從而判斷Δp和Δp_cr確認(rèn)是否有堵塞流。如果發(fā)生堵塞流，則進(jìn)行比較p₂和p_v確認(rèn)是閃蒸還是氣蝕。

針對(duì)上述實(shí)例，由上述的判別步驟得知，該閥門(mén)已經(jīng)發(fā)生阻塞流的工況。再根據(jù)工藝所提的p₂＝0.86MPa（A）＜p_v＝2.81MPa（A），可以看出，此閥門(mén)已發(fā)生了閃蒸工況，這是1臺(tái)閃蒸閥。

3.1 閃蒸工況

閃蒸條件在某些工藝要求中可能是不可避免的，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。沖刷最嚴(yán)重的地方通常位于流量最大的地方，通常位于閥芯與閥座環(huán)的接觸線上或附近。因此，對(duì)于會(huì)出現(xiàn)閃蒸條件的閥門(mén)，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的閥門(mén)，以盡可能減少損壞。選擇時(shí)應(yīng)注意以下方面：

1）選擇合適的控制閥類(lèi)型和流向。不同的控制閥和流向，其壓力恢復(fù)系數(shù)不同，選用F_L大型閥門(mén)類(lèi)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）提高材質(zhì)硬度。通常來(lái)說(shuō)，材料越硬，抗沖刷越久。

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。

3.2 氣蝕工況

氣蝕條件應(yīng)盡量避免。氣蝕過(guò)程中，閥門(mén)內(nèi)發(fā)生液體變化，氣體再變化。當(dāng)氣體變回液體時(shí)，氣泡破裂會(huì)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(mén)的使用壽命將大大縮短。鍋爐給水泵旁路閥等典型工況。

根據(jù)上分析可以看出，氣蝕是由靜縮流引起的p_vc小于p_v，而閥后p₂大于p_v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(guò)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p_vc小于p_v，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，采用類(lèi)似閃蒸解決方案的方法，如提高材料硬度、降低流量等，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，增加壓力p₂，使緊縮流處p_vc也增大。若p_vc增大到p_v以上避免了堵塞流和氣蝕。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。

4 結(jié)束語(yǔ)

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如果p2減少到堵塞流，Δp值不等于閥門(mén)前后的壓差，而應(yīng)等于堵塞流量Δp_cr。選擇正確的Δp，可有效避免Cv計(jì)算過(guò)小，導(dǎo)致閥門(mén)選型過(guò)小的問(wèn)題。同時(shí)，一旦判斷出發(fā)生了阻塞流工況，還可以進(jìn)一步判斷是發(fā)生閃蒸工況，還是氣蝕工況，從而采用正確的處理措施，選擇正確的閥門(mén)類(lèi)型，延長(zhǎng)閥門(mén)的使用壽命。