减温减压装置中调节阀的计算与选型

2017-02-28朱志刚四川川油工程技术勘察设计有限公司

石油石化节能 2017年2期

朱志刚（四川川油工程技术勘察设计有限公司）

减温减压装置中调节阀的计算与选型

朱志刚（四川川油工程技术勘察设计有限公司）

在石油化工及天然气净化厂的蒸汽系统中，减温减压装置是其重要的组成部分，为提高减温减压装置的调节品质，达到节能降耗、节能减排目的，工程设计中除考虑结构选型外，减温水调节阀和蒸汽减压调节阀的流量系数CV值计算与选型方法是至关重要的。针对分体式蒸汽减温减压装置的基本构成及特点、减温水调节阀和蒸汽减压调节阀的计算与选型进行研究论述，得出较优的调节阀计算与选型直接影响到减温减压装置的调节品质和能源消耗的结论，为下游装置/设备用汽质量，蒸汽系统的稳定运行提供了有力保障。

减温减压装置；减温水调节阀；蒸汽减压调节阀；流量系数CV值

引言

在石油化工及天然气净化厂中，蒸汽系统是其重要组成部分，对整个工厂的能耗有着举足轻重的影响[1]。现代动力工程和热能技术要求高温-高压锅炉产生温度极高的过热蒸汽，为机械能量的产生转换提供一个极佳的能源。但对某些下游工艺装置/设备而言，这样的蒸汽也许是过干或过热[2]。例如，由于过热蒸汽的低传热系数而降低换热器效率，使用饱和蒸汽更加适合。另外，当高压饱和蒸汽减压时，在下游出口会产生过热度，此时需采用减温器将过热蒸汽减温至所需饱和度的温度。因此，在蒸汽供热管网上合理设置减温减压装置，使其供出的一次蒸汽压力、温度经过减温减压后不仅要满足下游工艺装置/设备对二次蒸汽的压力、温度需求，同时达到节能降耗、节能减排、降低生产运行成本的目的。

减温水调节阀和蒸汽减压调节阀是构成减温减压装置最重要的元素。为取得最佳效果，工程设计中必须为应用工况而进行正确的计算与选型[3]。其计算与选型除了满足调节阀固有的流量特性、可调范围、小开度工作性能、流量系数和调节速度等基本需求外，同时还须考虑压差、闪蒸、防冲刷、耐压、耐高温、泄漏量及安装空间和支撑质量、项目投资等诸多因素。

1 减温减压装置基本构成及特点

蒸汽减温减压装置主要由蒸汽减温系统、蒸汽减压系统和安全保护装置等组成[4]。

蒸汽减温系统由减温水调节阀、减温器、温度检测传感器、控制系统及双金属温度计等组成。通过控制系统采样、计算、输出控制减温水调节阀开度大小和减温水给水流量，利用减温器喷嘴将减温水喷入混合管道，经喷嘴雾化的减温水吸收热量、升温、汽化、与蒸汽混合，从而实现蒸汽温度的调节[5-7]。

蒸汽减压系统由蒸汽减压调节阀、蒸汽压力检测变送器、控制系统及不锈钢压力表等组成。通过控制系统采样、计算、输出控制蒸汽减压调节阀开度大小来实现蒸汽压力的调节。

安全保护装置通常由安全阀、止回阀等组成。当二次蒸汽压力超过设定值时，安全阀将压力超压部分的蒸汽排向大气，从而使二次压力保持在允许值内；止回阀用于防止二次蒸汽串入减温水给水管网。

目前在用的减温减压装置有一体式结构和分体式结构两种。本文例举的减温减压装置为分体式结构（图1）。即蒸汽先减压，再单独减温，减温减压分别在不同系统内完成，提高了运行的可靠性，有利于压力、温度的独立调节。

图1 典型分体式结构减温减压装置

2 调节阀的作用

由图1可知，减温水调节阀主要起给蒸汽管道补充减温水的作用，蒸汽减压调节阀是根据蒸汽的输出压力值实时调整蒸汽压力。蒸汽的减温减压其实是一个非常简单的工艺过程，减温水调节阀和蒸汽减压调节阀是最基本的执行元件，只需要与减温器、温度压力检测元件和控制系统即可构成最基本的蒸汽减温减压装置。但在工业实际应用中，蒸汽的压力和温度经常出现控制不稳定，出现汽液两相甚至水锤等现象。

为达到减温减压装置精确控制温度和压力的目的，防止汽液两相和水锤现象的产生，调节阀在该装置中的关键性作用就体现出来了。调节阀流量系数CV值的计算，阀形式的选择以及阀口径的选择，直接影响到减温减压装置中蒸汽温度和压力的调节品质，影响着下游装置/设备的用汽质量，也影响着蒸汽系统的稳定运行。

3 调节阀的计算与选型

3.1 CV值计算方式

调节阀流量系数CV值是调节阀计算、选型中最重要的一个参数。

不同状态的介质在不同工况下的CV值计算，采取的公式有所不同。以往是按压缩系数法和平均重度法两种方法进行CV值计算。对于工程设计人员来说，先要对每台调节阀的介质工况进行分析判断，然后选择合适的计算公式推导出CV值。这种人工代入公式计算方法只能把调节阀模拟为简单形式来推导，而无法考虑不同阀结构实际流动之间的修正问题、在饱和状态下阻塞流动（即流量不再随压差增加）的临界点问题、高黏度流体处于低速层流状态时引起雷诺数Re下降等问题对CV值的计算所造成的误差。

随着工业软件的进步发展，调节阀CV值的计算开始使用专业计算软件来实现。专业软件对于复杂工况，比如高黏度流体、易出现闪蒸和空化的流体、阻塞流动等情况都会采用相应的公式进行修正，并能根据介质的操作压力、温度、流量等参数，自动从软件数据库中调取此介质在此种工况下的其他工艺数据。

目前，行业内常用Intools专业软件计算调节阀的CV值，同时各调节阀厂商也开发各自的专有计算软件，不同的计算软件计算出的CV值会存在一定的差异，但总体上差异不会很大。因此，在工程设计中，工程技术人员通常会采用人工计算、Intools专业软件计算及调节阀厂商计算相结合的方式，由工程技术人员将上述三个计算结果进行比对，再根据工程应用经验最终确定CV值。

3.2 减温水调节阀

蒸汽减温系统工艺流程如图2所示。在减温水管道上设置1台减温水调节阀TV001，蒸汽管道上设置1支热电阻温度计TE001，TE001将检测到的温度信号上传到控制系统，与减温水调节阀TV001构成闭环调节回路TICAH001。

图2 蒸汽减温系统工艺流程简图

1）根据下游工艺装置/设备用汽要求，需将操作温度为240℃的蒸汽通过减温系统降至180℃使用。蒸汽的减温由减温器喷嘴喷入蒸汽混合管道中的减温水量和蒸汽的换热量来实现，其调节对象为减温水流量。选择调节阀，首先要根据工艺流体介质、流量、温度、前后压力、密度等参数计算调节阀流量系数CV值。蒸汽和减温水的工艺参数如下：

一次蒸汽流量，Qmax=80 t/h，Qnor=50 t/h；一次蒸汽压力，0.6 MPa(G)；一次蒸汽温度，240℃；二次蒸汽压力，0.6 MPa(G)；二次蒸汽温度，180℃；减温水阀前压力，2.1 MPa(G)；减温水阀后压力，1.6 MPa(G)；减温水温度，104℃；减温水流量，Qmax=5000 kg/h，Qnor=3000 kg/h（根据热平衡方程式计算，热工专业提供）。

2）根据减温水的流量特性、蒸汽和减温水工艺参数，首先确定减温水调节阀TV001选用气动单座调节阀。

液体介质调节阀的计算公式表示如下：

式中：CV——流量系数（国内用KV表示流量系数，国际上用CV表示流量系数，其换算关系为CV=1.167 kV，此式中取1.17倍）；

Q——最大流量，m3/h；

G——介质相对密度；

P1——进口压力，bar；

P2——出口压力，bar。（P1和P2为最大流量时的进出口压力，bar，计算时应换算成

绝对压力，再代入公式进行计算）。

根据公式（1），计算得到CV计=7.371。

阀门类型按流量特性可分为线性、改进线性、等百分比及平方根（快速开启）等。特性曲线的比较见图3。

由图3可知，减温水流量调节选用等百分比特性阀最为理想。等百分比流量特性也叫做指数或对数特性，是当行程变化一个单位量时，流量变化的百分比相同的一种特性。因此，根据等百分比特性，CV选=CV计×m（m为圆整放大系数，取值1.97），得出CV选=14.5。

3）将上述计算结果与Intools软件计算结果、调节阀厂商计算结果进行比对，最终确定CV取值为13。根据选定的CV值选择阀口径。选择阀口径应把握两个基本因素：阀全开时，应至少通过正常流量的1.25倍，这是一个防止阀工作在全开或全关位置的安全系数；从阀的特性和经济角度的考虑，应能保证在正常流量时，等百分比阀[8]的开度保持在80%左右，最大不能超过90%，最小不能低于30%。基于上述计算结果并对照中华人民共和国行业标准HG/T 20507—2000《化工自控设计规定》中调节阀的“等百分比特性控制阀开度验算表[8]”，和调节阀厂商选型样本针对单座阀的CV选择与阀口径对应一览表，可初步选定减温水调节阀的口径为DN25。

图3 调节阀流量特性的比较

4）减温水为清洁的软化锅炉水。根据介质特性、工艺参数、使用要求和阀故障时的位置要求等，减温水调节阀的执行机构首先选择结构简单、动作可靠和便于维修的气动-薄膜执行机构，其作用方式为气-开；阀体材质选用WCB；考虑到减温水调节阀关闭压差较大，阀芯和阀座选用316+堆焊司钛莱合金；填料选择柔性石墨+聚四氟乙烯；减温水调节阀泄露等级Ⅳ级。阀门定位器为高精度智能型定位器，能接受由控制系统输出的4～20 mA标准信号，并能根据蒸汽的输出温度值及时调整减温水调节阀的开度大小。

5）石油化工及天然气净化厂电动仪表设备安装位置通常处于生产介质的爆炸危险区域[9]内；因此，阀门配套的电子元器件根据防爆区域分区确定相应的防爆等级和标识。

综上所述，减温水调节阀TV001选型结果如表1所示。

表1 减温水调节阀选型

6）经测试，装置正常运行时，调节阀开度为50%～85%时，噪音均不大于80 dB，调节性能理想。

3.3 蒸汽减压调节阀

蒸汽减压系统工艺流程如图4所示。在蒸汽管道上设置1台蒸汽减压调节阀PV001和1台压力变送器PT001，压力变送器检测到的压力信号上传到控制系统，与蒸汽减压调节阀PV001构成闭环调节回路PICAH001。

图4 蒸汽减压系统工艺流程简图

1）根据下游工艺装置/设备用汽要求，需将操作压力为0.9 MPa(G)的蒸汽通过减压调节阀降至0.6 MPa(G)使用。蒸汽的工艺参数如下：一次蒸汽流量，80 t/h，Qnor=50 t/h；一次蒸汽温度，300℃；减压阀前压力，0.9 MPa(G)；减压阀后压力，0.6 MPa(G)；计算压差ΔP=P1-P2。

2）蒸汽减压调节阀CV值计算将根据计算压差和阀进口压力P1分以下两种情况进行计算，即

式中：CV、Q、P1、P2与减温水调节阀中的定义相同，K=1+（0.001 3×过热温度℃）。

（P1和P2为最大流量时的进出口压力，bar，计算时应换算成绝对压力，再代入公式进行计算；Q为最大流量，kg/h。）

由图3可知，蒸汽压力调节选用线性特性阀最为理想。线性流量特性阀的流量与阀门位置成线性变化，因此根据线性特性，CV选=CV计×m（m为圆整放大系数，取值1.63），得出CV选=1521。

3）用上述公式进行的人工计算，其忽略了蒸汽特性对CV值的计算影响，未对其进行各种修正计算，计算结果误差较大。将上述计算结果与Intools软件计算结果、调节阀厂商计算结果进行比对，最终确定CV选取值为1120。

4）根据调节阀口径选择原则，为保证在正常流量下线性阀开度保持在70%，最大不能超过80%，最小不能低于10%，最大允许噪音不大于85 dB，最终选择口径为DN25（其他确定阀口径的选择方法与TV001一致）。

5）300℃蒸汽属于高温介质，管道内有可能会产生闪蒸和气蚀现象，因此，蒸汽减压调节阀的选择不仅要考虑介质特性和工艺参数、使用要求和阀故障时位置等最基本的因素外，同时需考虑阀门长期处于高温工况下其使用寿命、调节灵敏度、防闪蒸和防气蚀冲刷对阀门造成的影响等种种因素。根据上述要求，多孔式套筒导向型调节阀在结构上具有相当优势，其介质经多个小孔节流减压，阀内可设多级节流降压，保护阀座及阀体免受冲击，延长使用寿命；同时流量可调比大、不平衡性小、稳定性好、不易震荡，且有降低噪音作用。因此，蒸汽减压调节阀选用多孔式套筒导向型调节阀，其阀体材质选用WCB，阀芯和阀座选用316+全部堆焊司钛莱合金，蒸汽介质要求阀泄漏量小，阀泄漏等级选CLASSⅤ。

6）在石油化工及天然气净化厂中，蒸汽通常作为下游工艺装置/设备的动力源，蒸汽系统非计划停车，将引发生产事故。例如：天然气净化厂中液态硫管输至硫磺回收装置[10]过程中，将采用蒸汽进行管道伴热，在管输过程中一旦失去蒸汽动力，液态硫将固化，堵塞管道，一旦处置不当将可能引发上下游装置出现生产事故。同时，如果一段管道内固化硫在熔融过程中，操作监控不当，产生的过压条件将导致管道破裂，引发安全事故，造成环境污染、经济损失。因此，要求蒸汽减压调压阀执行机构应确保在故障状态下，实现保位，能继续向下游工艺装置/设备提供蒸汽，执行机构可选用带保位功能的双作用气动执行机构或电动执行机构。

7）石油化工及天然气净化厂电动仪表设备安装位置通常处于生产介质的爆炸危险区域内，因此，阀门配套的电子元器件根据防爆区域分区确定相应的防爆等级和标识。

综上所述，蒸汽减压调节阀PV001选型结果如表2所示。

表2 蒸汽减压调节阀选型

8）装置正常运行时，在装置下游1 m，同时距管壁1 m处测其噪音。蒸汽减压调节阀开度为55%～75%时，噪音均不大于80 dB，调节灵敏，投用3年未见闪蒸和气蚀损坏阀芯、阀座现象。

4 减温减压装置的安装

减温减压装置的安装位置应在满足工艺要求的前提下，首先选择便于安装、维修和操作的地方。一般情况下，减温水调节阀口径都不大，安装所占空间较小，只需垂直、正立安装在便于操作和维修的地方即可。而蒸汽减压调节阀一般口径都很大，加上散热杆和执行机构及其他附件，其所需安装空间和质量都比较大。蒸汽减压调节阀安装在蒸汽主管线上，且前后设置工艺切断阀，所占用的空间也较大。工程设计中需充分考虑检维修操作平台，以便于阀门的维修和操作，并在减压阀下方安装固定支座，防止阀门震动和形变。

减温减压装置在使用前必须按操作规程进行吹洗，以清除管道系统内部的污垢和焊渣等杂物。蒸汽管道部分用不高于减温减压装置出口蒸汽压力的蒸汽进行吹洗；减温水部分管路系统用不高于减温水压力的水进行清洗。吹洗合格后，应关闭减温减压装置入口切断阀，进行调节阀单体调试。减温减压装置投运前，应对减温减压装置及通向下游装置/设备的管道部件进行预热，以防止这些部件和零件产生附加应力。预热蒸汽压力为0.02～0.05 MPa，预热时间由蒸汽管网总长度决定，但不应少于30 min。预热后，减温减压装置方可按操作规程投运。

5 减温减压装置的调试

减温、减压为两个相对独立的控制回路，但在实际工况中，一次蒸汽经减压后的压力、温度和减温水调节阀给水流量是相互关联和影响的。因此，PID参数的设定尤为重要，当比例系数P增大，系统动作灵敏，速度加快；若P过大则震荡次数增加，甚至趋于不稳定；若P太小，系统动作缓慢。积分时间常数I太大，则对系统性能的影响较小；若I太小，则震荡次数增加，甚至趋于不稳定；只有当I适中时，过程的特性比较理想。微分时间常数D偏大或偏小时，超调量大，调节时间较长，只有D适中可以得到比较满意的过程。因此，在系统调试过程中需根据上下游工况多次反复调校方可将系统调试到最优、最节能的状态。