调节阀在阻塞流及闪蒸工况下的的分析与应用

调节阀在阻塞流及闪蒸工况下的的分析与应用

摘要：分别以循环水池液位调节阀和换热器冷凝液调节阀为例，通过现场反馈信息的分析，阐述液体工况下产生阻塞流和闪蒸、气蚀现象的原因并进行分析，提出解决方案，从而防止阻塞流现象的发生以及降低闪蒸气蚀对调节阀的损害。

关键词：调节阀；阻塞流；压力恢复系数；闪蒸；气蚀

中图分类号：tp214文献标识码：a 文章编号：

一、引言

调节阀是控制回路中的终端执行元件，也是决定调节过程是否及时、有效的重要环节。但在实际的工程应用中，对于一些苛刻工况下的调节阀，尤其是在液体应用场合中发生阻塞流和闪蒸、气蚀时，往往容易被人忽视，可能造成流经调节阀的流体无法达到原设计流量，严重时会对阀内件以及阀后管件造成很大的破坏，严重影响调节阀的工作性能和使用寿命，同时还加剧噪声、振动，造成安全隐患。

二、阻塞流工况下的调节阀的应用

1) 阻塞流现象

所谓阻塞流是指不可压缩流体在流过调节阀时所达到的最大流

量状态。当阀入口压力p1保持一定，而逐步降低阀后压力p2时，流经调节阀的流量会增加到一个最大极限值，再继续降低p2，流量不再增加。此时的流动状态即为阻塞流。显然，当形成阻塞流后，

流量与压差δp=p1-p2的关系变为图1所示曲线。

2) 工艺条件简介以及分析

如图2所示，调节阀安装在循环水管线的出口处，工艺条件如下：阀前压力：0.6mpa（g）；阀后为常压，即0mpa（g）；介质：循环水；水温度：30℃；流量正常：100 t/h，最大150 t/h；介质密度：1000 kg/m3；粘度：1 cp；工艺管径：8”。腐蚀性：无。

原调节阀为普通的直通单座阀，经现场使用一段时间后，该阀门无法满足流量要求，即使调节阀全开，仍无法达到预计的流量。经计算原调节阀的开度，发现理论上应该能够满足设计流量，因此可能是由于阻塞流所造成的。因此，首先需要判断该工况下是否发生了阻塞流现象。

非阻塞流判别式：

阻塞流判别式：

式中：

p1——阀入口绝对压力，mpa；

δp——阀入口和出口间的压差，mpa；

fl——液体压力恢复系数，表示控制阀内部流体流经缩流处后，动能转换为静压的恢复能力；

ff——液体临界压力比系数；

ff是阻塞流条件下的缩流断面压力与阀入口温度下的液体饱和

蒸汽压力pv之比，是pv与液体临界压力pc之比的函数。可由图3

查的，或由以下公式近似确定。

pv——阀入口温度饱和蒸汽压（绝压），mpa；

pc——热力学临界压力（绝压），mpa；

根据本案例的工况以及条件，本工况原调节阀为直通单座阀，流向为流开，其压力恢复系数为0.9，且水在30℃时的饱和蒸汽压为47kpa（a），水的临界压力为22100kpa kpa（a），将数值带入上述公式可以判断出流体流经调节阀后产生阻塞流。也就是说，当阀门两边的压差降低至某一数值时，阀门流量不随着压差的增大而增大，因此导致阀门的流通能力不能满足理论计算的结果，所以即使阀门全开，其流量仍无法满足设计流量的要求。

3) 解决方案

一般情况下，对于阻塞流的工况，可采取降低阀门端压差或改变阀门形式，即改变阀门的压力恢复系数来避免阻塞流的发生。对于本工况，更为合理且有效的方法是改变阀门形式。经选型，选用某国产厂家单座套筒阀，其压力恢复系数为0.96，经过计算，其为非阻塞流，经计算，其正常开度为56.37%，最大为66.73%。经过现场一段时间的使用，其流通能力满足工艺要求，使用效果良好。

三、闪蒸、气蚀工况下的调节阀的应用

1) 空化、闪蒸现象

不可压缩流体在通过调节阀阀芯、阀座的缩流断面处，其压力降低到等于或低于该液体在阀入口温度下的饱和蒸汽压时，部分液体

就会汽化，形成气泡，若缩流断面后流体的压力恢复到高于上述饱和蒸汽压时，气泡破裂，释放出能量，此现象称为空化。若缩流断面后流体的压力没有恢复到饱和蒸汽压以上，则部分液体会汽化成气体，此现象称为闪蒸。不管是闪蒸还是空化，都会对阀门造成严重的破坏，影响其使用寿命，降低调节阀的工作性能，同时还会导致出现剧烈的振动和高强噪声，构成安全隐患。

2) 工艺条件简述及分析

该调节阀为换热器冷凝液管线上的调节阀，通过被换热介质的出口温度，调节换热器高压蒸汽冷凝液流量。其操作压力为5.5mpa （g），操作温度为269.9℃，操作压差为5.02mpa，操作密度767.9kg/m3，正常流量6115kg/h，最大流量6727kg/h，最小流量1109kg/h，工艺管径为4”，介质为冷凝水。现场原有的阀门为普通的直通单座阀，根据现场反馈，该调节阀使用一段时间后（一般为半年左右），其阀体底部会出现沙眼，出现泄漏，向外喷蒸汽。阀芯也被冲刷损坏。如图4所示。

其实，该工况的应用是一种很典型的闪蒸工况的应用，利用阀门或其他节流装置，将高压冷凝液降压闪蒸为低压蒸汽，一般情况下，希望闪蒸阀距下游设备、容器越近越好，这样当发生闪蒸后，气体迅速进入设备中，相当于一个无限大的空间内，将能量及时的释放掉，以缓解闪蒸对阀门的冲刷和损害。但是该案例中的调节阀安装在靠近换热器的地方，距下游设备比较远，同时，水在269.9℃时

的饱和蒸汽压为5.5mpa（g），即调节阀在降压后，其压力没有恢复到饱和蒸汽压以上，所以可以判断调节阀后发生了闪蒸现象。计算调节阀的闪蒸量应使用以下公式：

hf1——在入口温度时饱和液体的焓；

hf2——在出口压力时饱和液体的焓；

hfg2——在出口压力时汽化的焓。

在蒸汽表中查得相应的焓值，代入公式可以得出，其闪蒸量约为19%。而阀门出口处液体的密度为907.4kg/m3，蒸汽密度为

3.258kg/m3，由此可知，出口处气体的体积约为液体体积的65倍，因此，气体占据了大量的空间，导致流体流速急剧增加，而对于单座阀，其阀内的流道为s型，现场使用的阀门流向为流闭式，当流体流经缩流断面后，高速流体剧烈的冲刷阀内件以及阀门的底部，最终导致阀门底部出现砂眼而泄露，阀内件也出现损坏。

3) 解决方案

闪蒸与阻塞流或者空化现象不同，后者是可以避免的，而前者是由工艺条件所决定的，无法避免，因此，如果不改变工艺，是无法从根本上解决阀门冲刷的问题的，只能够通过相应的措施来缓解冲刷对阀门造成的损害。正如前文所述，一般情况下，可将闪蒸安装在尽可能靠近下游容器的地方，以此来减少泄放能量，缓解阀门的冲蚀。另外，也可选用角阀，采用侧进底出的流向，当流体在缩流断面发生闪蒸后，进入直行流道，流入管道之中，在流体进入管道