在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是最為廣泛使用的流體控制設(shè)備，也是絕大多數(shù)控制回路的終端。因此，在自動控制工程設(shè)計中，一定要選好調(diào)節(jié)閥，使其耐用可靠，靈活可調(diào)又能滿足各種HSE的要求。這對調(diào)節(jié)閥的工程設(shè)計選型提出了越來越高的要求。

    本文擬就調(diào)節(jié)閥的放空工況這一難點，結(jié)合某催化裂化裝置中富氣壓縮機前的放空調(diào)節(jié)閥實例，分析和探討氣體放空調(diào)節(jié)閥的選型和噪音。

    1 工藝背景與條件

    1.1 工藝簡述及控制要求

    催化裂化裝置中的富氣經(jīng)過分餾塔頂油氣分離器分離后進(jìn)入富氣壓縮機升壓，富氣壓縮機為汽輪機帶動的離心式壓縮機。壓縮機前壓力如果不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致壓縮機操作曲線變動，變化幅度或變化速率達(dá)到一定程度時可引起壓縮機喘振，造成惡性事故。而且，富氣壓縮機前壓力不穩(wěn)定也會破壞上游分餾塔的平衡，想要再次建立塔平衡需要耗費較長的時間和一定的成本。所以，富氣壓縮機入口設(shè)置了壓力控制回路，在壓力高時，打開調(diào)節(jié)閥放空，維持富氣壓縮機前壓力不高于設(shè)定值。另外，還有一臺大口徑放空特種閥與此閥并聯(lián)，在壓縮機意外停機時，兩臺閥同時聯(lián)鎖打開，保證富氣全部放空時有足夠的泄放流量。

    1.2 工藝條件

    閥前富氣介質(zhì)壓力約為0.17MPa（表），閥后0.05MPa（表）；介質(zhì)溫度40℃；工藝管道管徑DN350；閥門故障位置FO；正常流量240Nm³/min，最大流量300Nm³/min。因業(yè)主單位將放空閥門的泄漏量計入考核，故用戶要求將調(diào)節(jié)閥的泄漏等級定位為FCI70－2定義的VI級。因介質(zhì)含有部分硫化氫，還需對閥門中接觸介質(zhì)的部位做NACE防硫化物應(yīng)力開裂的材料處理。

    2 選型過程

    在調(diào)節(jié)閥的選型工作流程中，一般將經(jīng)過以下重點環(huán)節(jié)：首先，明確調(diào)節(jié)閥的工藝需求和工藝條件，確定首要的選型難點；其次，根據(jù)難點選擇閥門類型，并可根據(jù)計算結(jié)果不斷調(diào)整優(yōu)選閥門類型；最后，完善調(diào)節(jié)閥的規(guī)格細(xì)節(jié)。

    2.1 蝶閥的嘗試

    本臺調(diào)節(jié)閥在設(shè)計詢價時，首先考慮的是套筒類調(diào)節(jié)閥。但是，由于用戶在此類裝置的類似位置處有較多蝶閥的使用經(jīng)驗，所以用戶堅持要選用蝶閥。這樣，各廠家在投標(biāo)技術(shù)文件中，均選擇三偏心結(jié)構(gòu)的蝶閥產(chǎn)品。

    眾所周知，蝶閥的流道平滑，是高壓力恢復(fù)類的閥門，它的臨界壓差比X_T小，在高壓差時容易發(fā)生阻塞流。本調(diào)節(jié)閥經(jīng)過各廠家的計算，確實有幾家產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)了阻塞流，證明本調(diào)節(jié)閥的壓差比X雖不算很高（X=0.12/0.27≈0.44），但多數(shù)蝶閥已經(jīng)不再適用。還有的廠家雖然計算上并沒有出現(xiàn)阻塞流報警，但是噪音很大。這是由于在發(fā)生氣體的阻塞流時，節(jié)流孔附近的介質(zhì)流速已經(jīng)接近并達(dá)到了音速，所以噪音會非常大。如果噪音很大但沒有發(fā)生阻塞流，那么節(jié)流孔附近的介質(zhì)流速很有可能已經(jīng)接近音速，也就是說雖然沒有形成阻塞流，但已接近阻塞流狀態(tài)。在過去，也有工作在阻塞流狀態(tài)下的放空閥實例［3］，可是這種選型一方面會產(chǎn)生極大機械振動，巨大的應(yīng)力會導(dǎo)致相應(yīng)振動件的材料疲勞和損傷，另一方面還會產(chǎn)生超標(biāo)的噪音強度，按照現(xiàn)行的噪音衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，是不能接受的。普通蝶閥內(nèi)介質(zhì)流動分布見圖1（a）。

    按照我國職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，新建裝置調(diào)節(jié)閥的噪音要求控制到85dbA以下，部分放空閥可放寬到90dbA。考慮到本次選型的調(diào)節(jié)閥在正常生產(chǎn)過程中比普通放空閥的動作頻率要高，暫且要求噪音不超過85dbA。鑒于此，只有某一家的蝶閥滿足噪音要求，約為80dbA。當(dāng)然此產(chǎn)品的流量計算中沒有出現(xiàn)阻塞流，否則噪音必定超標(biāo)。

（a）普通蝶閥

（b）特殊設(shè)計蝶閥

圖1 普通和特殊設(shè)計的蝶閥內(nèi)介質(zhì)流動分布示意

    此家蝶閥的流道結(jié)構(gòu)見圖1（b），在蝶閥的閥板后緊貼著一片半圓形多孔板，這種獨特的設(shè)計結(jié)構(gòu)將多孔降噪結(jié)構(gòu)融合到蝶閥上。對比圖1（a）中的普通蝶閥內(nèi)介質(zhì)流動分布，可以發(fā)現(xiàn)半圓形多孔板消除了閥板后側(cè)的湍流，而不阻擋蝶閥板的開關(guān)動作，減少湍流引起的流體波動，最終降低了噪音。多孔孔板在另一方面也對提高閥板后壓力有部分幫助，可產(chǎn)生類似于多級降壓的效果，所以也能部分降低噪音強度。

    但是，由于只有一家產(chǎn)品滿足技術(shù)要求，其它家沒有能與之比較的產(chǎn)品。故為了避免后續(xù)商務(wù)上的問題，用戶與設(shè)計方一致決定不再局限于蝶閥，更換閥門類型。

    2.2 噪音的產(chǎn)生與降噪分析

    既然噪音超標(biāo)成為本放空調(diào)節(jié)閥的難點問題，那么可以深入討論一下噪音的產(chǎn)生問題。調(diào)節(jié)閥噪音是由于調(diào)節(jié)閥在完成調(diào)節(jié)作用的過程中，產(chǎn)生永久性的壓力損失而導(dǎo)致流體湍流的結(jié)果。調(diào)節(jié)閥的噪音主要來自3個方面：1）機械振動。機械噪音主要來自閥內(nèi)湍流流體對閥內(nèi)件的沖擊，造成與其相鄰表面之間的振動而產(chǎn)生噪音；2）氣體動力學(xué)噪聲。這是流體流經(jīng)節(jié)流部位時，機械能轉(zhuǎn)換為聲能的直接結(jié)果。3）水力學(xué)噪聲。這一類里最主要的是空化噪聲，其它噪聲較輕可忽略。對于本文中的氣體放空閥，不涉及液體介質(zhì)，故本文忽略整個水力學(xué)噪聲。

    降低調(diào)節(jié)閥噪音的途徑：

    ①對于機械振動引起的噪音，只能通過改善閥本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計來解決，如增大導(dǎo)桿直徑和減少間隙來限制橫向振動，或者以套筒為導(dǎo)向更好地限制橫向振動，還可以更有針對性地應(yīng)對具體工況設(shè)計閥體避開共振頻率段。

②對于氣體動力學(xué)噪聲，氣體動力學(xué)噪聲產(chǎn)生的主要區(qū)域是在緊靠縮流處下游的恢復(fù)區(qū)，此處的流動狀態(tài)是物相混亂、完全沒有規(guī)則和不連續(xù)的，具有強烈的湍流和混合作用。解決之道在于降低流速和減弱湍流效果。

    a）多級減壓方式。該方式采用多級閥芯，串聯(lián)在一起逐級降壓，將壓降分散開，使節(jié)流孔處的湍流效果減弱。氣體介質(zhì)可使用迷宮式閥芯，但流道不能過大，否則對氣體介質(zhì)沒有多級效果。

    b）多孔式節(jié)流方式。單流路節(jié)流件的聲功率以面積平方的函數(shù)關(guān)系增加。面積變化1倍就會導(dǎo)致聲功率級相應(yīng)變化6分貝；同時，當(dāng)獨立作用的等噪音源數(shù)目變化1倍時，聲功率級只變化3分貝。總噪音的減少可以利用許多小節(jié)流件與單個或少數(shù)幾個大節(jié)流件相比較的方法推導(dǎo)出來，噴射相互作用的噪音不會大于每個噴射作用產(chǎn)生的噪音總和。另一方面，由于小孔射流噪聲頻率高，人耳對高頻噪聲的敏感度相對低頻有所降低，即A加權(quán)聲壓級分貝低，而一般對噪音的聲壓級量化都是用A加權(quán)單位dbA。兩方面合力降低了總噪音的A加權(quán)聲壓級。圖2是典型的多孔式套筒結(jié)構(gòu)，小孔基本對稱分布在套筒上。

圖2 典型多孔式套筒結(jié)構(gòu)

    c）串聯(lián)消聲器。消聲器是一類帶有多個小孔的擴(kuò)散器，它不僅應(yīng)用了多孔降噪原理還加大下游管道直徑，減小了出口流速。消聲器安裝在閥門下游管道上。這種降噪方法屬于聲路處理方法，與前文提及的聲源處理方法分屬兩類噪聲方法。具體的氣體動力學(xué)噪聲的預(yù)測計算可以參照IEC60534－8－3《調(diào)節(jié)閥的空氣動力噪聲預(yù)測方法》。

    2.3 最終選型

    在剔除蝶閥類的選型并明確降噪為此放空閥需要解決的首要問題后，技術(shù)人員將焦點投向了多孔式套筒單座閥。它的典型結(jié)構(gòu)參見圖3，即用多孔式降噪套筒替代普通套筒。有套筒作為導(dǎo)向，可以加強對閥內(nèi)件橫向振動的限制，減小機械振動及其噪音。同時在套筒上的多孔節(jié)流孔能降低氣體動力學(xué)噪聲約15dbA。套筒閥的流道與GLOBE閥類似，它的臨界壓差比XT大，故應(yīng)用于本調(diào)節(jié)閥不會出現(xiàn)阻塞流情況。

    經(jīng)過不同廠家的計算后，各家多孔式套筒閥都沒有出現(xiàn)阻塞流，預(yù)測噪音也基本都小于80dbA，也無需再疊加其它降噪措施，節(jié)省了成本。

圖3 多孔式套筒閥結(jié)構(gòu)

    其它具體的重要規(guī)格項有：

    1）閥門流量特性選擇線性。本放空閥的閥上壓降大，幾乎占據(jù)了所有系統(tǒng)阻力降，故閥阻比S值接近1，為使實際工作特性為線性，流量特性選擇線性特性為宜。

    2）閥門流通能力應(yīng)給予一定的富裕量，對于線性流量特性的閥門，保證最大開度在70%左右。

    3）閥門執(zhí)行機構(gòu)動作方式為氣關(guān)，而聯(lián)鎖時要求閥開，失氣的動作方向一致。故直接在進(jìn)氣氣路上加放空電磁閥即能滿足聯(lián)鎖要求，無需配套氣罐。

    4）閥體材質(zhì)同管道材質(zhì)，均為普通鑄造碳鋼，閥內(nèi)件選用高于閥體材質(zhì)的316不銹鋼，在閥芯上加一定的硬化處理。還有，所有接觸介質(zhì)的部位都需做NACE防硫化物應(yīng)力開裂的材料處理。

    近幾年，此類閥門越來越多的應(yīng)用實例也證明，多孔套筒單座閥是一類耐用、實惠的閥門形式，尤其適用了工作氣體放空工況下的調(diào)節(jié)閥。