关于放空调节阀选型的探讨

    在工业自动化控制系统中，调节阀是最为广泛使用的流体控制设备，也是绝大多数控制回路的终端。因此，在自动控制工程设计中，一定要选好调节阀，使其耐用可靠，灵活可调又能满足各种HSE的要求。这对调节阀的工程设计选型提出了越来越高的要求。

    本文拟就调节阀的放空工况这一难点，结合某催化裂化装置中富气压缩机前的放空调节阀实例，分析和探讨气体放空调节阀的选型和噪音。

    1 工艺背景与条件

    1.1 工艺简述及控制要求

    催化裂化装置中的富气经过分馏塔顶油气分离器分离后进入富气压缩机升压，富气压缩机为汽轮机带动的离心式压缩机。压缩机前压力如果不稳定，容易导致压缩机操作曲线变动，变化幅度或变化速率达到一定程度时可引起压缩机喘振，造成恶性事故。而且，富气压缩机前压力不稳定也会破坏上游分馏塔的平衡，想要再次建立塔平衡需要耗费较长的时间和一定的成本。所以，富气压缩机入口设置了压力控制回路，在压力高时，打开调节阀放空，维持富气压缩机前压力不高于设定值。另外，还有一台大口径放空特种阀与此阀并联，在压缩机意外停机时，两台阀同时联锁打开，保证富气全部放空时有足够的泄放流量。

    1.2 工艺条件

    阀前富气介质压力约为0.17MPa（表），阀后0.05MPa（表）；介质温度40℃；工艺管道管径DN350；阀门故障位置FO；正常流量240Nm³/min，最大流量300Nm³/min。因业主单位将放空阀门的泄漏量计入考核，故用户要求将调节阀的泄漏等级定位为FCI70－2定义的VI级。因介质含有部分硫化氢，还需对阀门中接触介质的部位做NACE防硫化物应力开裂的材料处理。

    2 选型过程

    在调节阀的选型工作流程中，一般将经过以下重点环节：首先，明确调节阀的工艺需求和工艺条件，确定首要的选型难点；其次，根据难点选择阀门类型，并可根据计算结果不断调整优选阀门类型；最后，完善调节阀的规格细节。

    2.1 蝶阀的尝试

    本台调节阀在设计询价时，首先考虑的是套筒类调节阀。但是，由于用户在此类装置的类似位置处有较多蝶阀的使用经验，所以用户坚持要选用蝶阀。这样，各厂家在投标技术文件中，均选择三偏心结构的蝶阀产品。

    众所周知，蝶阀的流道平滑，是高压力恢复类的阀门，它的临界压差比X_T小，在高压差时容易发生阻塞流。本调节阀经过各厂家的计算，确实有几家产品已经出现了阻塞流，证明本调节阀的压差比X虽不算很高（X=0.12/0.27≈0.44），但多数蝶阀已经不再适用。还有的厂家虽然计算上并没有出现阻塞流报警，但是噪音很大。这是由于在发生气体的阻塞流时，节流孔附近的介质流速已经接近并达到了音速，所以噪音会非常大。如果噪音很大但没有发生阻塞流，那么节流孔附近的介质流速很有可能已经接近音速，也就是说虽然没有形成阻塞流，但已接近阻塞流状态。在过去，也有工作在阻塞流状态下的放空阀实例［3］，可是这种选型一方面会产生极大机械振动，巨大的应力会导致相应振动件的材料疲劳和损伤，另一方面还会产生超标的噪音强度，按照现行的噪音卫生标准，是不能接受的。普通蝶阀内介质流动分布见图1（a）。

    按照我国职业卫生标准，新建装置调节阀的噪音要求控制到85dbA以下，部分放空阀可放宽到90dbA。考虑到本次选型的调节阀在正常生产过程中比普通放空阀的动作频率要高，暂且要求噪音不超过85dbA。鉴于此，只有某一家的蝶阀满足噪音要求，约为80dbA。当然此产品的流量计算中没有出现阻塞流，否则噪音必定超标。

（a）普通蝶阀

（b）特殊设计蝶阀

图1 普通和特殊设计的蝶阀内介质流动分布示意

    此家蝶阀的流道结构见图1（b），在蝶阀的阀板后紧贴着一片半圆形多孔板，这种独特的设计结构将多孔降噪结构融合到蝶阀上。对比图1（a）中的普通蝶阀内介质流动分布，可以发现半圆形多孔板消除了阀板后侧的湍流，而不阻挡蝶阀板的开关动作，减少湍流引起的流体波动，最终降低了噪音。多孔孔板在另一方面也对提高阀板后压力有部分帮助，可产生类似于多级降压的效果，所以也能部分降低噪音强度。

    但是，由于只有一家产品满足技术要求，其它家没有能与之比较的产品。故为了避免后续商务上的问题，用户与设计方一致决定不再局限于蝶阀，更换阀门类型。

    2.2 噪音的产生与降噪分析

    既然噪音超标成为本放空调节阀的难点问题，那么可以深入讨论一下噪音的产生问题。调节阀噪音是由于调节阀在完成调节作用的过程中，产生永久性的压力损失而导致流体湍流的结果。调节阀的噪音主要来自3个方面：1）机械振动。机械噪音主要来自阀内湍流流体对阀内件的冲击，造成与其相邻表面之间的振动而产生噪音；2）气体动力学噪声。这是流体流经节流部位时，机械能转换为声能的直接结果。3）水力学噪声。这一类里最主要的是空化噪声，其它噪声较轻可忽略。对于本文中的气体放空阀，不涉及液体介质，故本文忽略整个水力学噪声。

    降低调节阀噪音的途径：

    ①对于机械振动引起的噪音，只能通过改善阀本身的结构设计来解决，如增大导杆直径和减少间隙来限制横向振动，或者以套筒为导向更好地限制横向振动，还可以更有针对性地应对具体工况设计阀体避开共振频率段。

②对于气体动力学噪声，气体动力学噪声产生的主要区域是在紧靠缩流处下游的恢复区，此处的流动状态是物相混乱、完全没有规则和不连续的，具有强烈的湍流和混合作用。解决之道在于降低流速和减弱湍流效果。

    a）多级减压方式。该方式采用多级阀芯，串联在一起逐级降压，将压降分散开，使节流孔处的湍流效果减弱。气体介质可使用迷宫式阀芯，但流道不能过大，否则对气体介质没有多级效果。

    b）多孔式节流方式。单流路节流件的声功率以面积平方的函数关系增加。面积变化1倍就会导致声功率级相应变化6分贝；同时，当独立作用的等噪音源数目变化1倍时，声功率级只变化3分贝。总噪音的减少可以利用许多小节流件与单个或少数几个大节流件相比较的方法推导出来，喷射相互作用的噪音不会大于每个喷射作用产生的噪音总和。另一方面，由于小孔射流噪声频率高，人耳对高频噪声的敏感度相对低频有所降低，即A加权声压级分贝低，而一般对噪音的声压级量化都是用A加权单位dbA。两方面合力降低了总噪音的A加权声压级。图2是典型的多孔式套筒结构，小孔基本对称分布在套筒上。

图2 典型多孔式套筒结构

    c）串联消声器。消声器是一类带有多个小孔的扩散器，它不仅应用了多孔降噪原理还加大下游管道直径，减小了出口流速。消声器安装在阀门下游管道上。这种降噪方法属于声路处理方法，与前文提及的声源处理方法分属两类噪声方法。具体的气体动力学噪声的预测计算可以参照IEC60534－8－3《调节阀的空气动力噪声预测方法》。

    2.3 最终选型

    在剔除蝶阀类的选型并明确降噪为此放空阀需要解决的首要问题后，技术人员将焦点投向了多孔式套筒单座阀。它的典型结构参见图3，即用多孔式降噪套筒替代普通套筒。有套筒作为导向，可以加强对阀内件横向振动的限制，减小机械振动及其噪音。同时在套筒上的多孔节流孔能降低气体动力学噪声约15dbA。套筒阀的流道与GLOBE阀类似，它的临界压差比XT大，故应用于本调节阀不会出现阻塞流情况。

    经过不同厂家的计算后，各家多孔式套筒阀都没有出现阻塞流，预测噪音也基本都小于80dbA，也无需再叠加其它降噪措施，节省了成本。

图3 多孔式套筒阀结构

    其它具体的重要规格项有：

    1）阀门流量特性选择线性。本放空阀的阀上压降大，几乎占据了所有系统阻力降，故阀阻比S值接近1，为使实际工作特性为线性，流量特性选择线性特性为宜。

    2）阀门流通能力应给予一定的富裕量，对于线性流量特性的阀门，保证最大开度在70%左右。

    3）阀门执行机构动作方式为气关，而联锁时要求阀开，失气的动作方向一致。故直接在进气气路上加放空电磁阀即能满足联锁要求，无需配套气罐。

    4）阀体材质同管道材质，均为普通铸造碳钢，阀内件选用高于阀体材质的316不锈钢，在阀芯上加一定的硬化处理。还有，所有接触介质的部位都需做NACE防硫化物应力开裂的材料处理。

    近几年，此类阀门越来越多的应用实例也证明，多孔套筒单座阀是一类耐用、实惠的阀门形式，尤其适用了工作气体放空工况下的调节阀。