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作  者：Mr.Holger Siemers Samson AG  
摘  要：在控制阀苛刻应用领域拥有三十多年的使用经验及深刻见解的Mr.Holger Siemers 在本文中首先介绍如何采用独立的CONVAL 控制阀软件通过实例从整体优化、设计的角度进行阀门计算选型、故障诊断；其次讨论控制阀在苛刻工况中的应用降低使用、维护成本、提高寿命问题；最后讨论阀杆密封、介绍抗气蚀结构蝶阀、球阀的应用。 
关键字：CONVAL、气蚀、噪音 

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编译：石磊 葛易 SAMSON 控制设备（中国）有限公司 
上篇：1.CONVAL 专家阀门计算、诊断软件； 
            2.阀门优化组合为工厂节约能源； 
            3.消除薄弱环节：原有阀门能够胜任新工作吗? AC Trim 阀门的应用 
      1.CONVAL 专家阀门计算、诊断软件 
      在石油及天然气应用领域中，许多控制阀都扮演着高能转换器的角色，阀门要消耗、转换很多热能，普通场合要转换1~5kW 热能，特殊场合要转换5~200000kW 热能，这些阀门消耗了工厂的大部分管路能源，尤其在高负荷工作时，阀体和阀芯等内件不可避免的受到磨损，这时如果阀门在设计选型时，考虑不周或者选用了错误的工艺数据，控制阀的性能将难以保证，很可能带来大量的噪音、阀门振动、腐蚀、侵蚀、内件脱落损坏、严重的将要造成操作装置的停车，给工厂带来巨大损失。 
      下列因素是高能耗应用场合中最终用户最为关心的： 
      1）安全性、可靠性； 
      2）控制性能； 
      3）环境方面的考虑； 
      4）无故障使用周期及最低使用成本，尤其是随着装置的投运，最终用户开始更多抱怨地维护成本及备件的需求； 
      但是在当前的设计项目中，尤其是工程总承包项目，合同承包方一味追求利润效益，项目设计周期短，经常使用未达到详细设计深度的数据表进行控制阀网上招标和采购，时间非常紧迫。这样一来往往造成对阀门技术选型不够重视，尤其对苛刻工况使用的阀门，隐藏了诸多技术隐患。同时许多技术责任也被转驾到阀门制造方，经常会带来令人失望的结果。 
      不难看出，上述最终用户对控制阀正确使用性能的期待往往和设计时为了抢时间、赶进度，草率地进行阀门技术选型是互相矛盾的，目前在国内还存在一种常见的现象，控制阀选型时，仪表工程师过分依据工艺专业提供的过程参数，即使针对错误或不当的控制阀出、入口压力，仪表工程师往往也不能和工艺工程师进行讨论，各自为政，结果也会造成选型不当、或者是错误。从阀门制造商的角度考虑，这种状况是对产品的竞争性和可靠性的挑战。许多知名公司的阀门产品要么消失要么被大的企业集团吞并了。需要保持清醒的一点是工厂发生灾难性的事故记录虽然从未停止过，但这种危险性的几率也决不允许因盲目、采用过于简单的方式进行阀门计算、选型，而忽略了尤其对严酷工况过程参数的慎重思考、放弃对特殊结构阀门的计算、选择而增加。问题是：有没有什么理想的平台能够同时兼顾这眼前利益和长远利益？CONVAL 专家阀门计算诊断软件能实现这个目的。 
      CONVAL 软件是独立于各阀门制造商的专业商用软件，具有近20 年的使用及推广历史，软件严格依据IEC/ISA/VDMA 等国际化标准进行开发，它不仅仅局限于解决单一的阀门口径、流量系数的计算，而是从整个工艺装置设计角度进行对控制阀优化、诊断。软件具有上千种单一流体及混合流体物性数据库，同鲁尔大学共同开发出混合物计算公式，能对诸如天然气等物质进行准确计算。CONVAL 软件能解决诊断绝大多数潜在的问题，这些问题超出各厂家计算软件的计算功能，它首先对过程参数进行计算，然后结合计算结果对具体控制阀的结构参数诸如cv，xFz，Fl，xT，Fd（图1）等诊断、计算、分析，达到对阀门进行高性能的评估的目的，尤其是对阀门的噪音，临界气蚀，闪蒸等现象能进行准确预测分析。在图1 中，控制阀的特性参数如流量、增益、可调比，噪声分贝值、入口及出口流速、以及气蚀、闪蒸和发生阻塞流等情况见右侧的图表区域，一只动态标尺指示出阀门处于任意开度的参数特征以及相应的诊断提示信息。该程序强有力地将优化过程诊断、故障排除同专家级的阀门计算结合在一起。此外CONVAL 同时也包含了各世界知名阀门制造商近40 家最新样本及阀门特性数据，方便于阀门选型。 

图1：CONVAL 对阀门进行计算实例 

图2：SAMSON 阀门计算软件 
     

   CONVAL 软件提供了数据表与CAE系统之间的双向通讯（见图3）以及和各阀门制造商计算软件（图2）的链接，方便用户存储、整理相应所需主要数据如：噪声值，阀门开度值、询价规格等。同时在计算时，CONVAL 可运用丰富的宏功能，对经过定义的用户工艺数据表（EXCEL 格式）可进行自动批量阀门口径、Cv值计算，大大缩短控制阀选型时间。CONVAL软件除了计算、诊断控制阀之外，还具备以下功能： 
      1）蒸汽减温减压阀计算； 
      2）执行器计算 
      3）差压流量计/节流孔板计算 
      4）安全阀/储气罐压力/管道压力损失/压力波动计算 
      5）工艺管道补偿/跨度/壁厚计算 
      6）换热器/冷凝器计算 
      7）泵输出计算 
      这些计算被CONVAL 提供的独立于阀门供货商的流体数据库（控制阀，安全阀）、流体计算，以及材质数据库等功能支持。 

图3：CONVAL与CAE通讯 

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 2.阀门优化组合为工厂节约能源 
      在此通过一个实例分析如何优化生产过程、降低能耗和运行成本，图4为一个工厂装置单元的布局简图，应用CONVAL软件对旧装置的工艺参数合理优化、合理的控制选型之后，实现了节能、节约成本50%以上的目的。 
      首先让我们了解一下这个装置单元的工艺布置，图4左面为生产布局；在右上图中把整个压力系统分成3 部分，即section a）、seciton b）、section c），原有过程的起始压力为10bar；其中a 段表示从储罐或泵到流量计孔板之间的压力降情况、b 段考虑从流量计到控制阀间压力降情况、c 段代表从控制阀出口到下游单元压力降的分布。末端压力P_end=4 bar_abs。图4右下部分中列出了在上述a~b 各段压力降系数和管道的长度、配管的高度情况。 

图4：装置单元布局示意图   

    原有的控制阀（见图4中）口径为3"，装置的泵起始压力为10bar，经过CONVAL 软件的优化发现：采用比较低的泵起始压力和DN4"的阀门能大大节约运行能耗成本。图5、图6分别为应用CONVAL 对原有的过程及优化后的过程的计算。 

图5：CONVAL 对原参数的计算，起始压力10bar 

图6：CONVAL 对优化后工艺参数的计算，起始压力6bar 

      优化后工艺过程的泵起始压力已经从10bar降为6bar，控制阀上的压降明显降低，阀门消耗的能量也大幅下降，噪音从98dB（A）降到88dB（A），显著提高了控制阀的使用性能，因为优化改造后的参数条件允许应用低能耗、标准配置的控制阀，不需任何减噪装置，在减少节流元件及磨损的同时又能提高阀门寿命。详细的数据分析、统计见图7 和表1、表2。 

图7： 随着流量变化，各段管路元件压力分配 

表1：改造前控制阀主要过程参数 

表2：对比10bar，6bar起始压力的工厂优化方案数据分析 

      表1列出了正常和最大流量时的差压，通常是过程控制中的主要操作点。控制阀的计算结果显示60kW的能耗及预测声压水平SPL98 dB（A）；表2 列出对比不同的起始压力实例a）10 bar 和b）6 bar 时工厂降低能耗的优化方案。通过上述的优化得出的结果是：CONVAL 建议把部分管路系统和控制阀由3" 改为4"，人们可能马上会问：那投资费用不是增加了吗？但这只是问题的局部，从动态费用上分析仅考虑控制阀，能耗从原3"阀、起始压力10bar 的能耗60kW降到如今的20.3 kW，仅此一笔全年的能耗费用就从69，445 美元降到31，203 美元。粗算相当于每年节省了38，282 美元；同时，低能耗运行的控制阀噪音从98dB（A） 降到88dB（A），显著提高了控制阀的使用寿命。因此，扩大管路及连接设备等带来的成本费用的增加被省去的减噪设备、备件量和维护成本的降低、能耗费用的降低及控制阀寿命的显著提高等带来的一系列工厂运行成本费用显著的降低所补偿。 
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3.消除装置扩容的薄弱环节 
      a）原有阀门能够胜任新工作吗? 
      在市场经济条件下，石化产品的价格走势和用户的需求决定一个石化厂或装置经营的成败，但显而易见：化工、石化装置从设计到试车投运一般均需要20至30个月的建设周期，即使是目前市场上非常紧俏、价格看好的产品，装置的主人往往也是望洋兴叹，原因很简单：即使马上着手建设装置，但虽又能保证两、三年后生产出产品的价格呢？这时研究、重视对于已竣工的工厂装置如何在此基础上提高生产负荷即扩容的问题就显的越来越重要了。 
      在装置扩容过程中，对现场仪表而言，主要应考虑原有控制阀在增加入口压力及流量的条件下，阀门是否还能正常工作，第二个实例就这个问题进行如下探讨。 
      这里以一台8"的笼式阀为例（见图8和9），扩容之后流量从305t/h 变为380t/h，通过COVAL 软件诊断、计算，采用多孔减噪板（见图10）控制方案，让减噪板来缓冲掉部分阀门差压，将噪音降至85dB（A）。 

图8：原有的数据表 

图9：8"笼式阀带压力平衡 

图10：下游阻尼减噪结构的计算，单级和多级孔板 
      CONVAL 软件还为用户提供了一种全新的计算方法，借助于图形帮助来考查控制阀的性能并为减噪提供最经济的解决方案（见图11，图12及图13）。 
      类似的问题非常普遍，现有控制阀在扩容后真的能将噪声控制在85dB（A）以内吗？其实本例就是基于扩大生产同时还要限制噪声情况下实际提出来的。通过CONVAL专家软件使原有的8"口径的阀门通过加减噪的方式能够满足85dB（A）的要求，这种解决方案在阀门利旧方面是一个全新的技术突破。 

图11：原有的上游压力及流量增加后的上游压力 
（Flow 100% △P100/△P0=0.1/Flow 90% △P90/△P0=0.27/Flow 80%△P80/△P0=0.42）  

图12：原有笼式阀噪声计算值大于91dB（A） 

图13：原有笼式阀配减噪板后噪声由91降至85dB（A） 
      b）利用AC Trim 阀门也能成功消除薄弱环节（见图14） 
      新的推进泵增加了入口压力，阀门流量的增加也导致能耗和噪声的增加。对于上述a）中利用原阀门设备加上减噪板固然是最经济的一种方案，但实际上从笼式阀结构本身并没有切实有地解决降低噪音和气蚀等问题。 
      设计新颖独特的抗气蚀阀芯“AC Trim System”（SAMSON 见图15、图16）完全能够在整个控制范围内有效解决此问题（详见第5 部分），同样针对扩容后流量为380t/h 的操作状态，使用8"AC Trim 控制阀在不需外部阀后减噪板的情况下，噪声仅为65dB（A），并且在整个控制范围无严重气蚀发生，整个工作行程内产生噪音始终低于85dB（A）。 

图15：采用计算机流量模拟方式的抗气蚀阀芯设计 
（实例为SAMSON 推出的AC Trim I 阀内件，等百分比型阀芯带上下导向，阀芯阀座经计算机流量模拟CFD 优化） 

图16：AC Trim System 控制阀结构 
      （研究成果已申请专利，其特点是高XFz 值，抗气蚀、降噪能力强，对杂质及震动不敏感。上下阀杆导向，低噪音抛物线结构阀芯设计）

(来源：全球阀门网)