化工控制閥選擇

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之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現在介紹化工控制閥選擇在化工生產和自動控制領域中，一個工藝控制過程是否能滿足各項工藝控制指標，控制過程是否平穩；超調量、衰減比是否在規定的范疇之內；是否穩、快、準，除了工藝設計合理，設備*外，重要的一點就是控制閥是否能根據工藝參數變化而準確動作。控制閥是終端控制元件，在整個控制回路中較為重要但又是長期以來技術比較薄弱的環節，因此如何選擇安全、適用、可靠、經濟的控制閥，滿足工藝調節要求，提高控制水平，是自控設計人員、生產廠家和用戶zui為關注的問題。本文主要介紹控制閥的一般選型原則、步驟，并突破嚴酷工況下硬密封控制閥的頑癥，目的是為用戶提供較為適用的選型手段。
1 化工控制閥選擇控制閥結構形式的選
控制閥一般由執行機構和閥門組成。控制閥的產品類型很多，結構也多種多樣，選擇時應綜合考慮調節功能、泄漏等級及切斷壓差、耐壓及耐溫、沖蝕、汽蝕、腐蝕、使用生命周期、維護及備件、性能價格比。建議選擇順序：上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥單（雙）座（Globe）控制閥、籠式單（雙）座（Cage）控制閥、偏心旋轉閥、蝶閥、角閥、球閥（V.O）、三通閥、特殊控制閥等。詳見表1。

控制閥是組成工業自動化控制系統中的一個重要環節，它被稱之為生產過程自動化的“手足”，正確選擇控制閥是確保系統穩定、正常運行的關鍵。控制閥選型內容通常包括以下幾個方面：
①控制閥結構形式選擇
控制閥有單座閥、雙座閥、套筒閥、角形閥、三通閥、隔膜閥、蝶閥、球閥、偏心旋轉閥等類產品，用戶應根據被調介質的特性和工藝條件選擇控制閥的結構形式。
②控制閥流量特性選擇
控制閥流量特性是指相對行程與相對流量的關系，通常有直線特性、等百分比特性、快開特性，需根據工藝對象的特點選擇。
③控制閥口徑計算
根據工藝過程條件計算出控制閥的流量系數C，然后根據對應結構形式控制閥的流量系數C值表選擇口徑。
④控制閥執行機構有氣動、液動、電動三種
氣動執行機構可用于防火防爆場合，故障率低，但需
建獨立的儀表氣源；液動執行機構可用于推力或力矩特別大的地方，運行平穩，但體積大，價格昂貴，用量很少；電動執行機構的驅動源隨地可取，隔爆型產品可用
于防火防爆場合，其可靠性近年來大幅度提高，目前已成為執行機構的主流產品。
⑤控制閥材質選擇
主要根據閥門受控介質的溫度、壓力、腐蝕性以及是否產生氣蝕、沖蝕等因素選擇材質，這包括閥體、閥蓋、閥芯、閥桿、閥座、墊片、密封填料等材質的選擇。
⑥
控制閥不平衡力校核
不平衡力校核是保證控制閥正常工作*的一步。其實質是校核執行機構的輸出力是否大于介質的不平衡力、閥門動作時的摩擦力、閥芯的重力等力的總和（校核時輸出力還要有一定的余量）。
為了簡化計算。閥門生產廠根據工作條件對常用閥門計算出允許壓差，列成表格附在選型樣本上，這樣不平衡力校核就轉換成允許壓差校核。
校核有兩種方式，一是根據所選執行機構的輸出力看允許壓差值是否合乎要求，二是根據允許壓差值選定合適輸出力的執行機構。

注：“√”表示*選擇；“○”表示可用選擇；“╳”表示較差選擇
針對高壓、高壓差工況，控制閥閥體應選用鍛鋼件，控制閥應選用帶多級套筒式、多級閥芯式、多級疊板式等防空化組件。
閥門的泄露等級應根據ANSIB16。14標準進行選擇，絕大多數金屬密封控制閥的泄漏等級是四級（ANSICLASSIV），更嚴格的泄漏等級是六級（ANSICLASSVI）可采用軟閥座形式。對于溫度較高，不能使用軟閥座的場合，可采用五級（ANSICLASSV）泄漏標準。
2 控制閥口徑的選擇
根據初步的工藝條件和參數確定了控制閥的結構和類型后，一項主要的工作就是計算確定控制閥的流量系數。英制單位的流量系數Cv是指在每平方英寸1磅的壓力降下，每分鐘流過閥門6OF（15.6℃）水的加侖數。單位的流量系數Kv是指在0.1MPa壓力降下，每小時流過閥門5～40℃水的立方米數。
二者之間的關系：Cv=1.16kV
國內生產廠計算流量系數通常采用Cv，Cv是表示控制閥容量大小、結構及流路形式對流通能力的影響等綜合因素的固有參數，它與控制閥的形式及口徑有直接的，因此控制閥口徑的選定，實際上就是根據工藝條件確定控制閥閥體類型，進行流量系數的計算，使按此流量系數選定的控制閥口徑，能保證工藝對象要求的流量，同時控制閥的行程又能在合適的范圍。
Cv值的計算有相應的專業計算軟件，根據計算的Cv值和已確定的閥體類型，就可以從生產廠家獲取相應系列的控制閥選型資料，從對應的產品標準系列中選取額定流量系數不小于并接近于此Cv的一個數值，作為zui終選定的流量系數C100，與此C100相對應的控制閥口徑，即為zui終選擇的控制閥口徑。
3 執行機構的選擇
為使控制閥正常工作，所選執行機構要能產生足夠的輸出力來克服各種阻力，保證高度的密封和閥門的開啟。執行機構類型有三種，即氣動執行機構（直行程用薄膜執行機構，彈簧復位的單氣缸及雙氣缸采用氣缸執行機構）；電動執行機構（包括馬達驅動閥MOV）；液動執行機構。可根據輸出力、調節速度、線性度、滯后性、靈敏度、故障位置、尺寸與重量來選擇。通常選擇氣動執行機構，在沒有氣源的場合選擇電動執行機構。
控制閥的執行機構彈簧壓力范圍建議綜合考慮選擇60～180kPa（通常20～100kPa，40～200kPa兩種），彈簧硬，控制閥的穩定性好；彈簧軟，輸出力大。
4 閥體材質選擇
選擇合適的閥體材料能延長閥門的使用壽命。選擇材料一般應根據工藝介質的溫度、壓力、腐蝕性、沖刷、氣蝕等幾個方面來確定，同時還要考慮其經濟性。一般工況下選擇碳鋼或不銹鋼材料；在腐蝕場合必須選擇特殊合金材料，如：Mo2nel、HasloyB，C、Ti、雙向鋼等；對于嚴重沖刷的場合，采用閥內件硬化處理或硬度較高材料有利于延長閥門的使用壽命，如：17～4PH、Slited
等。閥體的材質應在使用介質、耐壓等級、使用溫度范圍、耐腐蝕等方面進行選擇，其原則是不應低于工藝管道材質的要求，優先在控制閥定型產品中選取。

5 閥芯材質選擇
控制閥的閥芯一般都由316不銹鋼材料制造，具體閥芯材料的選擇還要考慮閥芯硬化處理；抗腐蝕性；抗沖刷性；抗磨損性；高溫高壓等嚴酷工況。
（1）嚴酷工況指高壓降、高流速、深冷或高溫、強噪音、沖刷、氣蝕、閃蒸。嚴酷工況會損壞控制閥，往往使其不能正常工作，如高壓差對密封面產生嚴重的沖蝕，影響壽命；深冷或高溫使閥產生嚴重的熱脹冷縮，造成嚴重堵卡，影響密封。因此選擇控制閥時要特別重視嚴酷工況使用條件下的閥門，一般采用外硬內軟閥芯表面超硬化處理，解決了沖蝕、堵卡等問題，提高密封面壽命。
（2）當流進控制閥的液體壓力降到低于入口溫度下液體的飽和蒸氣壓時，往往會發生氣蝕現象。當壓力為P1的流體流過控制閥經過截流孔時，流速急劇增加，同時流體靜壓力驟然下降，當節流孔后壓力Pvc達到或低于該流體的飽和蒸氣壓Pv時，部分液體就會氣化成為氣體產生大量氣泡，形成氣液兩相共存的現象，這種現象稱為空化。當離開節流孔后壓力又逐漸上升，當上升至高于閥門出口壓力P2時氣泡破裂并產生液體，這個過程為空化作用。若P2小于Pv則稱為閃蒸。空化作用發生時，氣體液化，氣泡破裂釋放出巨大能量，對閥內件產生嚴重的破壞作用，同時產生噪音或震動。氣蝕、閃蒸產生的后果也是如此，對控制閥內件及管道產生很大的破壞作用，導致閥門故障。
對于氣蝕、空化、閃蒸工況，通常采用分級降壓、多級減壓的特殊閥內件或采用經硬化處理的閥內件來保護控制閥。

（3）控制閥噪音主要來自液體動力學噪音和氣體動力學噪音。液體學噪音是當液體流過閥時產生空化現象，氣泡破裂而產生巨大噪音。噪音頻率約在15～10000Hz很寬范圍。氣體動力學噪音包括氣體和水蒸氣產生的噪音。
由于計算比較復雜繁瑣，許多用戶或設計單位都由制造廠負責設計計算，噪音應符合我國環保要求，詳見表2。

一般噪音上限均不能大于105dB。氣體動力學噪音一般解決方法是在閥后安裝消音格子板（LO～DB極度），氣體通過它時使氣體流速減低，但是這種高質合金鋼并經過加硬處理的消音器價格十分昂貴。噪音的控制通過分級降壓、多級減壓的方式來實現。有效地控制介質的流速，是避免產生高噪音的主要手段。
6 控制閥的填料選擇
控制閥的填料裝于上閥蓋填料室內，其作用是防止因閥桿移動而閥內介質向外泄漏。zui常用的填料是聚四氟乙烯填料，它具有摩擦系數小，密封性能好和耐腐蝕性能好的優點，但耐溫差，壽命較短，不能用于熔融狀堿金屬、高溫的氟化氯和含有氟元素的介質。同時柔性石墨填料也是一種新型填料，它具有密封性、自潤滑性好，耐腐蝕、耐高溫（-200℃～600℃）和溫度變化影響較小等特點。但對閥桿摩擦力大，通常要使用定位器才能很好工作。旋轉型控制閥、高溫控制閥均采用柔性O型石墨填料。
7 控制閥的附件選擇
控制閥的附件主要有閥門定位器、電磁閥、手輪機構、空氣過濾減壓器、閥位變送器和行程開關等。
（1）閥門定位器是控制閥的主要輔助儀表，可分為氣動閥門定位器和電氣閥門定位器。
閥門定位器能夠提高執行機構輸出力，可使閥門的供氣速度快、閥的動作速度加快。在使用現場總線的場所采用數字閥門定位器，除上述功能外，帶PID控制功能、現場總線診斷功能、閥門特性曲線記錄功能。
（2）電磁閥選用時主要考慮用幾個位置、幾個通道；電源電壓、是否防爆；線圈通電后使控制閥關閉還是打開等。
（3）根據工藝要求確定是否選擇手輪機構。
（4）空氣過濾減壓器是常用的輔助儀表，選擇時注意它的輸出壓力、流量。
（5）行程開關應優先選用接近開關（無觸點）。
（6）根據需要選擇閥位變送器、空氣貯罐、繼動器、止回閥、自鎖閥、閥位限制器等。

8 結論
控制閥的選擇是非常細致的工作，不僅要有扎實的專業理論知識，還要有豐富實踐經驗。控制閥的選擇要在實踐的過程中不斷總結和創新，特別隨著機電一體化技術、計算機和數字信息技術的應用，控制閥的結構功能變得更好、更全面，為選擇控制閥提供了極大的方便。上述控制閥選型的原則，可作為化工裝置一般工況用控制閥選擇的指導。與本文相關的產品有角式平衡型截止閥設計說明