調節閥和限流孔板聯合應用工況的計算分析

羅軍，榮彥棟，陳洪沛，楊曉鹿

(中科合成油工程有限公司，北京 100028)

1 調節閥與限流孔板組合原理及其工程應用案例

調節閥和限流孔板均屬于安裝在管道上的阻力元件，均具有節流減壓的作用，但其功能不同、適用場景不同。作為可調的阻力元件，調節閥在一定范圍內可以“主動”改變節流減壓的效果，而限流孔板的節流減壓是一個“被動”的結果。

調節閥在大差壓比工況下應用時，由于高流速對閥體結構的沖擊，會帶來壽命減少、阻塞流、噪聲超限等問題，依賴于特殊閥芯結構、整流降噪內件、特殊材質、加裝消音器等技術手段的解決方案會加大工程投資。通過調節閥與限流孔板的聯合應用，將差壓在調節閥和限流孔板之間進行合理分配，緩和了調節閥工況的苛刻程度，使普通調節閥即可滿足大壓差比工況下的應用，對節省工程投資具有積極的意義。

然而，由于限流孔板節流減壓的“被動”性，其效果與其上下游差壓緊密相關并隨之改變而改變，同時其減壓效果又會反過來影響上游調節閥的工況條件，兩者由此形成的耦合關系導致依賴于傳統靜態特值計算的結果難以全面反映實際運行的情況，存在計算結果失效的可能。針對調節閥與限流孔板的聯合應用工況，本文通過實際工程案例分析CONVAL?軟件計算與傳統靜態特值計算的過程、方法和結果，探討調節閥和限流孔板聯合應用工況選型計算的難點問題、關鍵問題以及解決方法。

某項目空氣液化工藝流程中，氮氣在管線中壓力為0.46 MPa，溫度為常溫，標況下正常流量qVn=5×103m3/h，最大流量qVmax=1.2×104m3/h，要求壓力由0.46 MPa減至0.01 MPa，再進入氮水塔。為保證調節閥調節性能，同時也為節省投資，故而采取調節閥加限流孔板組合的方案。該項目空氣液化工藝流程如圖1所示。

2 工程實現的難點

上述案例在落實時需要對限流孔板和調節閥進行選型計算，由于兩者耦合關系的存在，如何確定兩者的計算條件成為關鍵問題。

文獻[1]在渣水工況調節閥汽蝕問題的解決方法中，對調節閥和限流孔板在3個工況下的情況做了一個簡單的分析，并得到了一個調節閥和限流孔板的差壓分配情況，最終在分析了最大體積流量和最小體積流量時，盡量滿足調節范圍的前提下，降低調節閥的汽蝕，由此確定了一組合適的差壓分配方案。

該項目為可壓縮氣體工況，不存在閃蒸、汽蝕問題，目標主要以避免出現阻塞流為主。節流件入口壓力和閥門開度固定時的流量與差壓關系如圖2所示。

圖2 節流件入口壓力和閥門開度固定時的流量與差壓關系示意

由圖2可知，在超過臨界壓差以后，即使壓差繼續升高，流量也不會繼續增加，這種現象就是阻塞流。

調節閥本質上是一個可變的節流元件，其流量方程如式(1)所示：

(1)

式中：qV——體積流量；p1——節流件前壓力；p2——節流件后壓力；r——重度；g——重力加速度；A——節流面積；ξ——流量系數。

可壓縮流體阻塞流的判別式如式(2)和式(3)所示，通過式(2)與式(3)比較得出：當X

(2)

(3)

式中：X——壓降與節流件前壓力之比；Δp——節流件前后差壓值；K——比熱比；XT——阻塞流時的壓降比系數。

其中，XT的數值只決定于閥的結構，即流路形式，一般閥門樣本給定的是典型的數值，實際XT的數值會隨著閥門的開度而改變；X1表示計算壓降比，即對于某一工況，則比熱比是已知的，當調節閥結構已經確定后，若發生阻塞流時，其差壓比是一個固定的常數。對于限流孔板，根據HG/T 20570.15—1995《管路限流孔板的設置》[2]要求：限流孔板后壓力p2不能小于孔板前壓力p1的55%，即p2≥0.55p1。

3 傳統的靜態特值計算

在氮氣進入氮水塔的工況下，XT取0.75進行計算，可得X=0.978，X1=0.755，即X>X1，因此在該工況下會發生阻塞流。為防止調節閥處發生阻塞流，減小發生在調節閥上的壓降值，通過計算臨界差壓值為Δp=0.347 MPa，又稱阻塞流差壓，使閥門前后的壓降不超過0.347 MPa的情況下，就不會發生阻塞流，此時再進行調節閥選型時就不需要選擇復雜結構和特殊材料的閥門，剩余的所有壓降由限流孔板承擔。限流孔板的選型計算是十分重要的，文獻[3]給出的計算公式如式(4)所示：

(4)

式中：d0——限流孔板孔徑，mm；qm——氣體質量流量，kg/h；p1——孔板前壓力，kPa；ρ1——孔板前氣體密度，kg/m3。

單一氣體和混合氣體的流量系數ξ各不相同，對于單一氣體中單原子的ξ取0.51，雙原子氣體的ξ取0.49，三原子氣體及過熱蒸汽的ξ取0.47，飽和蒸汽的ξ取0.45。

由上文可知，串聯時，限流孔板前壓力=閥前壓力-阻塞流差壓，可得p1=0.127 MPa，由(4)式計算得限流孔板孔徑為d0=65 mm。

傳統靜態特值的計算帶來的缺點是所計算的調節閥前和閥后的差壓值不準。當選取差壓值小于實際差壓值時，在最大流量值、正常流量值以及最小流量值時，閥門實際開度就會小于計算開度；相反，當選取差壓值大于實際差壓值時，在最大流量值、正常流量值以及最小流量值時，閥門實際開度就會大于計算開度。根據SH/T 3005—2016《石油化工自動化儀表選型設計規范》[4]的要求，以等百分比直行程調節閥為例，在正常流量時，開度要求為60%～80%，最大流量時開度要求不大于90%，最小流量時開度要求不小于30%。因此，由于差壓值的不準而帶來的誤差有可能使調節閥長期工作在大開度或者小開度狀態。當等百分比調節閥長期工作在大開度時，額定行程增加或減小很小的量時，額定流量會增加或減小很大的量，不宜于調節閥控制，甚至導致工藝系統運行不穩定、不安全；當等百分比調節閥長期工作在小開度時，額定行程增加或減小很大的量時，額定流量才會有明顯的增加或減小，調節閥調節性能差，延遲高，調節不及時，也同樣會導致工藝系統運行不穩定、不安全。額定流量與額定行程的關系如圖3所示。

圖3 額定流量與額定行程的關系示意

4 使用CONVAL?進行調節閥與限流孔板聯合計算及分析

CONVAL?由德國F.I.R.S.T. GmbH公司研發的一款第三方流體工程裝置計算優化軟件，經過30多年的發展，CONVAL?已經被開發成具有先進計算及診斷功能的流體工程裝置軟件。軟件包括：對控制閥、兩相流控制閥、蒸氣減溫減壓閥、執行器的計算選型和優化，尤其針對苛刻工況閥門的選型應用。此外，軟件還包括對最新國際標準的熱偶套管、差壓孔板&流量、控制閥外置閥后減噪板、管路損失、管道跨度&補償、管道壁厚、水擊壓強、安全閥、爆破片、液位校準、混合物介質計算、熱力學介質計算等20個模塊的計算及各種性能指標的優化分析。軟件核心功能包括：上千種高精度介質數據庫、應用最新國際行業標準計算優化評估、專家式經驗、指數診斷、圖形化分析、混合物及熱力學介質數據計算、豐富的制造商裝置數據庫、完全開放的COM通信接口，用戶自定義數據批處理格式、高效的數據導入導出及各種模板。

使用CONVAL?閥門計算模塊進行調節閥與限流孔板聯合計算時，不僅能夠實現計算功能，還包含了大量的介質特性數據和集成了大量的優質廠商的儀表數據。相比于普通調節閥計算軟件，CONVAL?的計算結果更加準確。CONVAL?依據IEC 60534-8-3：2010Industrial-processcontrolvalves—Part8-3：Noiseconsiderations—Controlvalveaerodynamicnoisepredictionmethod[5]對多級軸內件閥門進行噪聲計算預測，并依據 IEC 60534-8-4：2005Industrial-processcontrolvalves—Part8-4Noiseconsiderations—Predictionofnoisegeneratedbyhydrodynamicflow[6]計算與頻率相關的聲壓級。同時依據IEC 60534-8-3：2010和IEC 60534-8-4：2005對閥后阻力件結構(多孔孔板、消音器等)進行噪聲計算預測，通過噪聲預測和特性曲線計算來對控制閥進行計算和優化。

參照該工況，氮氣在管線中的壓力為0.46 MPa，溫度為常溫，標況下，正常流量qVn=5×103m3/h，最大流量qVmax=1.2×104m3/h，可在調節閥計算模塊增加阻力元件結構，此處的阻力元件就是限流孔板。閥后未加限流孔板CONVAL?對該工況計算的圖形分析如圖4所示，閥門聲壓級(A加權)LpAe隨著行程/旋轉角度比(s/s100)的增大而升高，在s/s100>0.45時，LpAe>85 dB(A)。

LpAe是由閥門產生的能量轉化為聲音的效率計算得出，其中超過99%的總能量轉化為熱量，而少于1%的總能量轉化為聲音。圖4中陰影部分表示：當X1≤X時，閥門處開始發生阻塞流。

增加限流孔板結構再次進行計算，此時軟件可實現對閥門和限流孔板的自動計算。在閥門出口增加限流孔板，相當于增加了閥門出口壓力p2，限流孔板的初始壓力為調節閥的出口壓力，限流孔板的結構決定了調節閥的輸出壓力。閥后加限流孔板CONVAL?對該工況的計算分析如圖5所示，在加裝限流孔板以后，LpAe始終不高于85 dB(A)，閥門處產生的噪聲大小滿足使用要求。軟件也會給出阻力元件和閥門的總聲壓級。可以看出，當0

圖4 閥后未加限流孔板CONVAL?軟件對該工況的計算分析示意

圖5 閥后加限流孔板CONVAL?軟件對該工況的計算分析示意

閥后加限流孔板有效地解決或避免了調節閥阻塞流現象的發生，一方面提高調節閥的控制使用性能，另一方面降低設備成本，同時也提供了限流孔板的計算選項規格。

調節閥特殊的閥內結構以及限流孔板結構大小都會直接影響管道中流體的流動特性，因而將調節閥和限流孔板進行統一計算相較于傳統的靜態特值計算方式，計算可靠性和精度會大幅提高。同時CONVAL?軟件會提供一個關鍵的性能指標——可靠性指數(Ri)，它基本上可以用來評估由工藝條件、介質、管道和調節閥組成的整個系統。Ri值范圍是0～1，若在0～0.1內，則表示沒有可靠性問題存在；若在0.1～0.5內，則表示可能存在可靠性問題；若在0.5～1.0內，則表示有限的可靠性問題；若Ri值大于1，則表示可能存在閥門損壞。一般為了彌補有限的可靠性問題，建議采用硬化閥座和閥芯，再進行計算，觀察Ri值是否降到0～0.1。

5 關鍵問題及解決方案

選用調節閥后加限流孔板應用時需要關注以下兩個關鍵問題：

1)介質要求潔凈，不含顆粒物等雜質，不易結晶堵塞。通常，對于潔凈性氣體、蒸汽等介質工況可以采用調節閥后加限流孔板的應用較多，它可以分擔一部分控制閥的差壓，通過降低出口流速和噪聲降低由于高噪聲對閥門產生的振動影響。

2)限流孔板進行選型時，當流量變化較大并且壓降又大的場所，并不適合選擇限流孔板。因此，限流孔板適用于壓降大流量變化小的工況。對于限流孔板結構，需要考慮以下問題：限流孔板可分為單孔孔板，多級限流孔板組和多孔孔板。在相同的開孔面積下，多孔的摩擦阻力比單孔的大并可起到穩流作用，故可優先選擇多孔孔板；其次，多孔常用于大于DN150 mm的大管道上。在壓降較大的場合，用單孔板會引起振動或產生較大噪聲，同時若介質相態是液體，將會在限流孔板處發生閃蒸和汽蝕。

在CONVAL?軟件的調節閥和限流孔板模塊中，開發了對閥后在管道上增加限流孔板的計算功能，很好地解決了分開計算帶來的誤差問題。同時，CONVAL?軟件采用目前國際最新的流體裝置計算標準以及歐洲近30多年的工程經驗總結對調節閥、限流孔板等流體裝置進行計算優選。在計算中，把過程流體物性、流體標準、裝置的結構屬性以及豐富積累的工程經驗有機地組合在一起，計算結果或診斷性能可以通過分析指數的形式提供給用戶，最終達到降低設計選型出錯率、合理優化選型、降低項目裝置成本、提高設計裝置安全可靠性的目的。

6 結束語

調節閥閥后加限流孔板的減噪技術應用相比較國外而言，在國內應用并不普及，一些用戶尤其在過去對噪音的預防要求并不十分嚴格，從而對閥芯和閥座等閥內件造成嚴重的沖刷，降低了調節閥的使用壽命。即使采用高昂的成本選擇復雜降噪內件的閥門，給閥門的維護和檢修也帶來了很高的成本。調節閥外置閥后限流孔板技術的經濟性很好，尤其在改擴建、調節閥產品利舊應用場合，能給用戶帶來很大的效益。