工艺设计对煤化工控制阀选型的影响
工艺设计对煤化工控制阀选型的影响摘 要：控制阀是控制系统全部自动化中最重要的执行机构组织，其质量的优劣将直接显现在整个系统的操作质量上。伴随着工业自动化水平的提高，控制阀这一重要组件将被应用到生产过程的每一个环节，其质量好坏也就直接影响生产效益的高低。所以，选择一个高品质、高效率控制阀是管控好整个生产过程的关键。本文从工艺设计的角度，介绍了控制阀选型的基本原则，分析了化工行业控制阀应用现状，阐述了工艺设计对控制阀的影响。
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控制阀是控制系统全部自动化中最重要的执行机构组织，其质量的优劣效果将直接显现在整个系统的操作质量上，作为过程控制中的执行操作组件，人们对其重要性的认识跟过去相比有了较大提升。控制阀应用质量的优劣，除产品自身质量、使用、维护外，正确地计算、选型十分重要。由于控制阀计算选型的失误，造成系统开开停停，有的甚至无法投用，所以从最基础的工艺设计上，笔者就优化控制阀选型的几项重要因素进行分析。
1 控制阀选型的基本原则控制阀选型的基本原则包括以下几个：①结合工艺设计的要求，确定适宜的组件形式和材料品种；②结合工艺控制的特性，确定控制阀的流量特性；③结合工艺工作的数据，确定适宜的控制阀口径大小；④结合工艺设计过程的特点，确定其必备的配件装置；⑤选择正确的执行组件，组件相应参数需满足工艺要求。
在实际的操作过程中应该主要注重以下几个方面影响条件：
①阀芯特性组织：特别要参照所确定的流量特点和不平衡力等条件选择；
②抗磨性：当流体介质是含有高浓度磨损性颗粒的悬浮液时，阀门的内部材料要具备一定的硬度；
③耐腐蚀性：因为介质具有腐蚀性，最大可能地选择结构简单的阀门，注意阀内件材质的耐腐蚀性；
④介质的温度、压力：当介质的温度、压力高且变化大时，应选用阀芯和阀座的材料受温度、压力变化影响小的阀门；
⑤防止闪蒸和气蚀：闪蒸和气蚀只产生在液体介质。在实际生产过程中，闪蒸和气蚀会形成振动和噪声，缩短阀门的使用寿命，因此在确定阀门时应尽量减少阀门产生闪蒸和气蚀。
被挑选的执行组件必须符合控制阀运行过程和工艺对泄漏量等级的要求。一般情况下，要是选择了压力控制阀，就需结合实际可能存在的压差来适当调整增大，也就是说需要执行组件必须供给足够大的作用力。否则，就会在工艺设计上出现问题的时候，控制阀两方的实际压差差距太大，造成关不上或者启动不了的严重后果。
2 常见控制阀类型煤化工生产工艺中，控制阀常见的阀型为角阀、Globe阀及偏心旋转阀，按照工艺设计的不同，各控制阀优劣不同。
2.1 偏心旋转阀偏心旋转阀因流通能力强、可调比大、流道简单、防堵能力强等特点，因此常用于水回收系统的灰水或黑水控制上。结合灰水颗粒成分及压差，通过现代计算流体软件（CFD）的模拟分析，设计了低流阻、耐冲刷球芯型面及适应小开度调节的型腔及球芯型面。阀芯阀座可以采用堆焊特殊硬质粉末合金、超音速火焰喷涂技术，也可选用烧结WC技术，大大提高阀内件及阀体的耐冲刷能力，完全能够适应更加广泛而苛刻的使用条件。
偏心旋转阀包含锻件阀体结构、铸件阀体结构两类，并具备法兰式及对夹式两种形式，可实现60°转角至90°转角。锻件阀体可很好地进行超音速喷涂、等离子堆焊等工艺操作，硬化层与基体材料结合力强，适用于固体含量大的场合，铸件阀体易于成型，适宜固体颗粒小、含量少、压差低的灰水工况。阀芯、阀座可采用堆焊镍基合金、喷涂碳化钨、整体实体碳化钨等工艺方式。产品结构经过CFD流体分析软件进行了不同开度下流体参数分析，可有效避免薄弱环节受到冲刷。
2.2 角阀黑水角阀主要用于高压差、强冲刷、强腐蚀、介质中含有固体颗粒和有闪蒸工况的流量及压力控制。产品广泛应用于煤化工行业黑水介质的压力及流量调节。同一般的控制阀相比，要求黑水角阀更耐冲刷，适用于高压差，并且便于维修。
阀体采用流体介质自隔离的平衡式自循环处理结构，避免大量煤粉颗粒进入阀门阀杆与填料部分，有效地解决了因磨损而产生的阀门外漏。内腔光滑的流线型设计结构，有效避免了颗粒介质对阀体内壁的冲击。
目前国内外的黑水角阀大都采用整体碳化钨材质的阀芯阀座，通过合适的选型计算，先进的流道设计模拟，阀芯阀座连接结构的不断改进，适当的内件材质使用和硬化处理手段，可以大大提高阀门使用寿命，是高压差、高含固量介质的首选控制阀。
2.3 Globe阀Globe阀在煤化工行业中一般指的是直行程的单座阀或者套筒阀。其阀芯与阀座的不同设计结构，可以实现广泛的位置应用，通过套筒的加入，进一步提升阀门的防振动、降噪声能力，令其应用在更高的压差工况。
当介质由阀瓣下方进入阀门时，操作力所需要克服的阻力是阀杆和填料的摩擦力与由介质的压力所产生的推力，关阀门的力比开阀门的力大，所以阀杆的直径要大，否则会发生阀杆顶弯的故障。在设计出自密封式的控制阀门以后，阀门的介质流向就改由阀瓣上方进入阀腔，由于介质压力的作用，就会造成关闭阀门的时候用力小，启动阀门时作用大的情况，操作阀杆就会相应地减小径围。同时，受介质的影响，此种控制阀就会相对严密。
Globe控制阀适用范围广阔，阀内件多采用堆焊镍基合金、超音速喷涂碳化钨等硬化措施提高其使用寿命。
3 化工行业控制阀应用现状（1）煤化工专用阀门应用场合包括以下几类：①煤浆（粉）输送，包括水煤浆（间接液化）、油煤浆（直接液化）等；②吹灰系统；③废水处理系统；④排渣系统。
（2）煤化工行业阀门控制介质特点有以下几点：①介质温度高，输送温度最高可达350℃；②气液固三相流体工况复杂；③工作压力高，压差可达10MPa以上，导致介质流速高；④介质中含有氯离子、氨、钾盐、硫化氢或磷酸等强腐蚀介质。
（3）煤化工行业用阀现状有以下两种情况：①煤化工装置关键阀门基本依靠进口，由于进口阀门价格昂贵，使用寿命短，导致频繁停车，再加上制造厂远离中国，售后服务不及时，成为煤化工装置正常运行的“瓶颈”，近年随着国内阀门厂家的技术提升以及大量的使用业绩增加，煤化工控制阀的国产化比例也在不断提高；②以现在的煤化工装置为例，每运行3～6个月，就需停车检修。关键控制阀冲刷、腐蚀严重，不能长周期稳定运行，是制约装置正常运行的瓶颈设备。
4 工艺设计对控制阀影响
4.1 影响选型的设计工艺（1）相对于传统的表面涂层工艺，优先考虑高参数控制阀的阀体及内件，采用耐腐蚀基材配以更先进的表面硬化措施，使控制阀过流部件具有更优的基体结合力和耐磨性。
（2）通过建立计算流体动力的数学模型，为高参数控制阀奠定理论研究基础。
（3）利用专用CFD流体分析软件分别针对煤化工高温、高压差、含固体颗粒工况介质对阀门冲蚀的影响因素，提出高参数控制阀耐冲蚀结构工艺的设计方法。
4.2 工艺参数对结构形式和材料确定的影响结合阀体的结构形式和工艺管道的布置情况，合理选择Globe阀、角阀、偏心旋转阀。确定控制阀之前，要对控制过程的介质、工艺条件和参数进行细心的分析，收集足够的数据，了解系统对调节阀的要求。可以从以下几个方面考虑。
（1）阀芯的形状结构主要结合所确定的流量特性和不平衡力等因素考虑。（2）耐磨损性。当流体介质是含有高浓度磨损性颗粒的悬浮液时，阀芯、阀座接合面每一次关闭都会受到严重摩擦。因此阀门流道及内部材料要光滑。（3）耐腐蚀。由于介质具有腐蚀性，在能满足调节功能的情况下，应尽量确定简单的阀门。（4）介质的温度、压力。当介质的温度、压力高且变化大时，应选用阀芯和阀座所用材料受温度、压力变化影响小的阀门。（5）减少闪蒸和气蚀。闪蒸和气蚀不仅影响流量系数的计算，还会形成振动和噪声，使阀门的使用寿命变短。如在振动和噪声较大的场合选用套筒阀合适，而介质有黏性或带有微小颗粒时，则选用偏心旋转阀较合适。
4.3 确定控制阀的流量特性控制阀的流量性质也就是常说的介质通过控制阀的相对量与位移变化的关系特性，实验状态下的流量特性常有抛物线型、对数型、快开、直线型等4种，实际中经常用到的就是对数、直线、抛物线型3种。抛物线型存在于直线和对数之间，经常用对数来代替，而快开特性主要用于二位调节及程序控制中，所以经常说，控制阀特性的确定也就是直线和对数流量特性的确定。
5 结语控制阀的选型是一项比较细致的任务，不单单要求拥有扎实的专业知识，还需要拥有较深厚的工艺设计知识，依据工艺设计要求确定合适、高效的控制阀，往往事半功倍。选择一个好的控制阀不单有助于控制回路PID参数的整定，从而更加有效地控制被调参数，同时也会提高控制阀的使用寿命。控制阀的确定要因地、因时制宜，也不是确定不变的，要求人们在实践的过程中结合工艺设计标准不断总结和创新，结合机电一体化技术、计算机和数字信息技术的广泛应用水平，控制阀的结构功能就会变得更好、更全面，为确定控制阀提供极大的方便。
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