调节阀和限流孔板联合应用工况的计算分析

罗军，荣彦栋，陈洪沛，杨晓鹿

(中科合成油工程有限公司，北京 100028)

1 调节阀与限流孔板组合原理及其工程应用案例

调节阀和限流孔板均属于安装在管道上的阻力元件，均具有节流减压的作用，但其功能不同、适用场景不同。作为可调的阻力元件，调节阀在一定范围内可以“主动”改变节流减压的效果，而限流孔板的节流减压是一个“被动”的结果。

调节阀在大差压比工况下应用时，由于高流速对阀体结构的冲击，会带来寿命减少、阻塞流、噪声超限等问题，依赖于特殊阀芯结构、整流降噪内件、特殊材质、加装消音器等技术手段的解决方案会加大工程投资。通过调节阀与限流孔板的联合应用，将差压在调节阀和限流孔板之间进行合理分配，缓和了调节阀工况的苛刻程度，使普通调节阀即可满足大压差比工况下的应用，对节省工程投资具有积极的意义。

然而，由于限流孔板节流减压的“被动”性，其效果与其上下游差压紧密相关并随之改变而改变，同时其减压效果又会反过来影响上游调节阀的工况条件，两者由此形成的耦合关系导致依赖于传统静态特值计算的结果难以全面反映实际运行的情况，存在计算结果失效的可能。针对调节阀与限流孔板的联合应用工况，本文通过实际工程案例分析CONVAL®软件计算与传统静态特值计算的过程、方法和结果，探讨调节阀和限流孔板联合应用工况选型计算的难点问题、关键问题以及解决方法。

某项目空气液化工艺流程中，氮气在管线中压力为0.46 MPa，温度为常温，标况下正常流量qVn=5×103m3/h，最大流量qVmax=1.2×104m3/h，要求压力由0.46 MPa减至0.01 MPa，再进入氮水塔。为保证调节阀调节性能，同时也为节省投资，故而采取调节阀加限流孔板组合的方案。该项目空气液化工艺流程如图1所示。

2 工程实现的难点

上述案例在落实时需要对限流孔板和调节阀进行选型计算，由于两者耦合关系的存在，如何确定两者的计算条件成为关键问题。

文献[1]在渣水工况调节阀汽蚀问题的解决方法中，对调节阀和限流孔板在3个工况下的情况做了一个简单的分析，并得到了一个调节阀和限流孔板的差压分配情况，最终在分析了最大体积流量和最小体积流量时，尽量满足调节范围的前提下，降低调节阀的汽蚀，由此确定了一组合适的差压分配方案。

该项目为可压缩气体工况，不存在闪蒸、汽蚀问题，目标主要以避免出现阻塞流为主。节流件入口压力和阀门开度固定时的流量与差压关系如图2所示。

图2 节流件入口压力和阀门开度固定时的流量与差压关系示意

由图2可知，在超过临界压差以后，即使压差继续升高，流量也不会继续增加，这种现象就是阻塞流。

调节阀本质上是一个可变的节流元件，其流量方程如式(1)所示：

(1)

式中：qV——体积流量；p1——节流件前压力；p2——节流件后压力；r——重度；g——重力加速度；A——节流面积；ξ——流量系数。

可压缩流体阻塞流的判别式如式(2)和式(3)所示，通过式(2)与式(3)比较得出：当X

(2)

(3)

式中：X——压降与节流件前压力之比；Δp——节流件前后差压值；K——比热比；XT——阻塞流时的压降比系数。

其中，XT的数值只决定于阀的结构，即流路形式，一般阀门样本给定的是典型的数值，实际XT的数值会随着阀门的开度而改变；X1表示计算压降比，即对于某一工况，则比热比是已知的，当调节阀结构已经确定后，若发生阻塞流时，其差压比是一个固定的常数。对于限流孔板，根据HG/T 20570.15—1995《管路限流孔板的设置》[2]要求：限流孔板后压力p2不能小于孔板前压力p1的55%，即p2≥0.55p1。

3 传统的静态特值计算

在氮气进入氮水塔的工况下，XT取0.75进行计算，可得X=0.978，X1=0.755，即X>X1，因此在该工况下会发生阻塞流。为防止调节阀处发生阻塞流，减小发生在调节阀上的压降值，通过计算临界差压值为Δp=0.347 MPa，又称阻塞流差压，使阀门前后的压降不超过0.347 MPa的情况下，就不会发生阻塞流，此时再进行调节阀选型时就不需要选择复杂结构和特殊材料的阀门，剩余的所有压降由限流孔板承担。限流孔板的选型计算是十分重要的，文献[3]给出的计算公式如式(4)所示：

(4)

式中：d0——限流孔板孔径，mm；qm——气体质量流量，kg/h；p1——孔板前压力，kPa；ρ1——孔板前气体密度，kg/m3。

单一气体和混合气体的流量系数ξ各不相同，对于单一气体中单原子的ξ取0.51，双原子气体的ξ取0.49，三原子气体及过热蒸汽的ξ取0.47，饱和蒸汽的ξ取0.45。

由上文可知，串联时，限流孔板前压力=阀前压力-阻塞流差压，可得p1=0.127 MPa，由(4)式计算得限流孔板孔径为d0=65 mm。

传统静态特值的计算带来的缺点是所计算的调节阀前和阀后的差压值不准。当选取差压值小于实际差压值时，在最大流量值、正常流量值以及最小流量值时，阀门实际开度就会小于计算开度；相反，当选取差压值大于实际差压值时，在最大流量值、正常流量值以及最小流量值时，阀门实际开度就会大于计算开度。根据SH/T 3005—2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》[4]的要求，以等百分比直行程调节阀为例，在正常流量时，开度要求为60%～80%，最大流量时开度要求不大于90%，最小流量时开度要求不小于30%。因此，由于差压值的不准而带来的误差有可能使调节阀长期工作在大开度或者小开度状态。当等百分比调节阀长期工作在大开度时，额定行程增加或减小很小的量时，额定流量会增加或减小很大的量，不宜于调节阀控制，甚至导致工艺系统运行不稳定、不安全；当等百分比调节阀长期工作在小开度时，额定行程增加或减小很大的量时，额定流量才会有明显的增加或减小，调节阀调节性能差，延迟高，调节不及时，也同样会导致工艺系统运行不稳定、不安全。额定流量与额定行程的关系如图3所示。

图3 额定流量与额定行程的关系示意

4 使用CONVAL®进行调节阀与限流孔板联合计算及分析

CONVAL®由德国F.I.R.S.T. GmbH公司研发的一款第三方流体工程装置计算优化软件，经过30多年的发展，CONVAL®已经被开发成具有先进计算及诊断功能的流体工程装置软件。软件包括：对控制阀、两相流控制阀、蒸气减温减压阀、执行器的计算选型和优化，尤其针对苛刻工况阀门的选型应用。此外，软件还包括对最新国际标准的热偶套管、差压孔板&流量、控制阀外置阀后减噪板、管路损失、管道跨度&补偿、管道壁厚、水击压强、安全阀、爆破片、液位校准、混合物介质计算、热力学介质计算等20个模块的计算及各种性能指标的优化分析。软件核心功能包括：上千种高精度介质数据库、应用最新国际行业标准计算优化评估、专家式经验、指数诊断、图形化分析、混合物及热力学介质数据计算、丰富的制造商装置数据库、完全开放的COM通信接口，用户自定义数据批处理格式、高效的数据导入导出及各种模板。

使用CONVAL®阀门计算模块进行调节阀与限流孔板联合计算时，不仅能够实现计算功能，还包含了大量的介质特性数据和集成了大量的优质厂商的仪表数据。相比于普通调节阀计算软件，CONVAL®的计算结果更加准确。CONVAL®依据IEC 60534-8-3：2010Industrial-processcontrolvalves—Part8-3：Noiseconsiderations—Controlvalveaerodynamicnoisepredictionmethod[5]对多级轴内件阀门进行噪声计算预测，并依据 IEC 60534-8-4：2005Industrial-processcontrolvalves—Part8-4Noiseconsiderations—Predictionofnoisegeneratedbyhydrodynamicflow[6]计算与频率相关的声压级。同时依据IEC 60534-8-3：2010和IEC 60534-8-4：2005对阀后阻力件结构(多孔孔板、消音器等)进行噪声计算预测，通过噪声预测和特性曲线计算来对控制阀进行计算和优化。

参照该工况，氮气在管线中的压力为0.46 MPa，温度为常温，标况下，正常流量qVn=5×103m3/h，最大流量qVmax=1.2×104m3/h，可在调节阀计算模块增加阻力元件结构，此处的阻力元件就是限流孔板。阀后未加限流孔板CONVAL®对该工况计算的图形分析如图4所示，阀门声压级(A加权)LpAe随着行程/旋转角度比(s/s100)的增大而升高，在s/s100>0.45时，LpAe>85 dB(A)。

LpAe是由阀门产生的能量转化为声音的效率计算得出，其中超过99%的总能量转化为热量，而少于1%的总能量转化为声音。图4中阴影部分表示：当X1≤X时，阀门处开始发生阻塞流。

增加限流孔板结构再次进行计算，此时软件可实现对阀门和限流孔板的自动计算。在阀门出口增加限流孔板，相当于增加了阀门出口压力p2，限流孔板的初始压力为调节阀的出口压力，限流孔板的结构决定了调节阀的输出压力。阀后加限流孔板CONVAL®对该工况的计算分析如图5所示，在加装限流孔板以后，LpAe始终不高于85 dB(A)，阀门处产生的噪声大小满足使用要求。软件也会给出阻力元件和阀门的总声压级。可以看出，当0

图4 阀后未加限流孔板CONVAL®软件对该工况的计算分析示意

图5 阀后加限流孔板CONVAL®软件对该工况的计算分析示意

阀后加限流孔板有效地解决或避免了调节阀阻塞流现象的发生，一方面提高调节阀的控制使用性能，另一方面降低设备成本，同时也提供了限流孔板的计算选项规格。

调节阀特殊的阀内结构以及限流孔板结构大小都会直接影响管道中流体的流动特性，因而将调节阀和限流孔板进行统一计算相较于传统的静态特值计算方式，计算可靠性和精度会大幅提高。同时CONVAL®软件会提供一个关键的性能指标——可靠性指数(Ri)，它基本上可以用来评估由工艺条件、介质、管道和调节阀组成的整个系统。Ri值范围是0～1，若在0～0.1内，则表示没有可靠性问题存在；若在0.1～0.5内，则表示可能存在可靠性问题；若在0.5～1.0内，则表示有限的可靠性问题；若Ri值大于1，则表示可能存在阀门损坏。一般为了弥补有限的可靠性问题，建议采用硬化阀座和阀芯，再进行计算，观察Ri值是否降到0～0.1。

5 关键问题及解决方案

选用调节阀后加限流孔板应用时需要关注以下两个关键问题：

1)介质要求洁净，不含颗粒物等杂质，不易结晶堵塞。通常，对于洁净性气体、蒸汽等介质工况可以采用调节阀后加限流孔板的应用较多，它可以分担一部分控制阀的差压，通过降低出口流速和噪声降低由于高噪声对阀门产生的振动影响。

2)限流孔板进行选型时，当流量变化较大并且压降又大的场所，并不适合选择限流孔板。因此，限流孔板适用于压降大流量变化小的工况。对于限流孔板结构，需要考虑以下问题：限流孔板可分为单孔孔板，多级限流孔板组和多孔孔板。在相同的开孔面积下，多孔的摩擦阻力比单孔的大并可起到稳流作用，故可优先选择多孔孔板；其次，多孔常用于大于DN150 mm的大管道上。在压降较大的场合，用单孔板会引起振动或产生较大噪声，同时若介质相态是液体，将会在限流孔板处发生闪蒸和汽蚀。

在CONVAL®软件的调节阀和限流孔板模块中，开发了对阀后在管道上增加限流孔板的计算功能，很好地解决了分开计算带来的误差问题。同时，CONVAL®软件采用目前国际最新的流体装置计算标准以及欧洲近30多年的工程经验总结对调节阀、限流孔板等流体装置进行计算优选。在计算中，把过程流体物性、流体标准、装置的结构属性以及丰富积累的工程经验有机地组合在一起，计算结果或诊断性能可以通过分析指数的形式提供给用户，最终达到降低设计选型出错率、合理优化选型、降低项目装置成本、提高设计装置安全可靠性的目的。

6 结束语

调节阀阀后加限流孔板的减噪技术应用相比较国外而言，在国内应用并不普及，一些用户尤其在过去对噪音的预防要求并不十分严格，从而对阀芯和阀座等阀内件造成严重的冲刷，降低了调节阀的使用寿命。即使采用高昂的成本选择复杂降噪内件的阀门，给阀门的维护和检修也带来了很高的成本。调节阀外置阀后限流孔板技术的经济性很好，尤其在改扩建、调节阀产品利旧应用场合，能给用户带来很大的效益。