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調節閥特性的優化和閥內件改造的探析
來源：上海自動化儀表有限公司作者：祁維軍，胡彥文，楊一仁，蔣 瑞發表時間：2023-10-12 16:57:37【小中大】
摘 要: 對于汽提塔調節閥在工藝低負荷運行時自動調節不穩定、調節性能差的問題，分析液位控制系統，通過運行參數跟蹤、調節閥的流量系數計算、流通面積復核，根據液位變化特性和控制規律，優化調節閥的流量特性，從線性流量特性改造為近似等百分比流量特性，以達到液位自控穩定的效果。
青海云天化國際化肥有限公司一期尿素裝置于 2010 年投產，采用二氧化碳汽提法工藝，汽提塔液位調節閥為 Fisher 高壓角閥。整套尿素生產工藝對該調節閥的調節性能要求很高，汽提塔液位是否能順利投入自控模式也是重要的工藝指標。
該汽提塔液位調節閥(LV-2202)原設計為線性流量特性，且流通能力過大，造成實際使用開度較小(18% ～22． 4%)。自尿素裝置投產以來，該閥長期處于手動控制狀態，操作頻繁、難以控制，影響尿素裝置穩定運行。為此，在 2018 年大修期間對該閥流通能力進行計算，并對閥芯進行重新設計和加工。優化后，該閥的調節性能有了明顯的改善，在裝置高負荷生產時，汽提塔液位調節可以投入自控模式。
1 工藝流程
合成塔的液相從出液閥(HV-2201)進入汽提塔頂部，經汽提塔內的液體分配器將尿液均勻地分配到每根列管中，并以液膜狀態沿壁往下降，防止 CO 2 氣體竄流到循環系統中。如果液位波動劇烈，超過低限，會出現竄氣現象，導致循環系統超壓;如果液位過高，易造成出液溫度高，使產品縮二脲含量升高。因此，汽提塔液位一般控制在30% ～ 60%，由汽提塔液位調節閥(LV-2202)自動控制完成。汽提塔液位調節工藝流程圖見圖 1。
2 控制原理
使用同位素銫 137 配上海伯托 LB 4700T 探測器來測量汽提塔液位 1(LT-2201)，汽提塔有效液位高度為 62 cm，液位有效直徑為 60 cm。在高壓差下，有效液位變化很快，對調節閥的控制要求很高。在正常生產過程中，汽提塔的液位要求在自動控制模式運行［1］ 。在生產工藝穩定的情況下，汽提塔的進出近似平衡狀態，當汽提塔液位 2(LT-2202)測量值低于設定值時，經集散控制系統(DCS)判斷、比較，輸出信號減小 LV-2202 開度;當 LT-2202 測量值與設定值相符時，LV-2202
開度保持不變;當 LT-2202 測量值大于設定值時，輸出信號增大 LV-2202 開度，直至液位測量值與設定值相等。這個過程是連續的，在這個過程中液位測量會有波動，測量值與設定值出現偏差。為消除偏差，DCS 會控制 LV-2202 進行調節。由于汽提塔有效控制液位很少，因此要求調節閥的開關幅度很小，以及流量變化量、閥門流通面積變化量很小，才有益于液位的穩定控制 ［2］ 。汽提塔液位調節系統控制原理見圖 2。
3 調節閥運行數據分析
3． 1 調節閥流量系數計算
根據工藝參數，計算調節閥的流量系數及流通能力，進一步確定閥門的閥座通徑，以及相對流量和相對流通面積。LV-2202 的工藝參數見表 1，其液體通流介質為尿素、氨基甲酸銨、水、NH 3和 CO 2 。
根據表 1 參數，使用閥門計算軟件計算得到調節閥流量系數 C v 為 17;根據 C v ，選擇閥座通徑為 30 mm ［3］ 。2018 年前閥座通徑為 40 mm，C v為41．7，明顯選擇太大，這是閥門長期在小開度下運行，無法投自動控制的原因。
3． 2 調節閥運行開度分析
2019 年全年調節閥運行開度在 50% ～60%;
2020 年全年調節閥運行開度在 40% ～ 50%;
2021 年全年調節閥運行開度在 30% ～ 40%。其間，閥芯加工尺寸相同，在 2021 年大修時發現，閥座通徑由于腐蝕，從 30 mm 變為 31 mm，分析原因為腐蝕沖刷。流通面積稍微發生變化，閥門的開度就會發生變化，調節閥實際有效可調范圍很小。LV-2202 歷年運行數據見表 2。
3． 3 調節閥運行流通面積
根據歷年的運行參數，可計算出調節閥在工藝中常用的流通面積，進一步優化調節閥的調節性能。LV-2202 歷年運行流通面積數據見表 3，其中閥芯的截面間隔為 2 mm。由表 3 可以看出:調節閥的在運行中由于加工誤差、閥座的腐蝕等因素，通徑變大，閥門開度逐年減小。閥門的常用流通面積為 210 ～ 270 mm 2 ;閥門開度在 30% ～55%。理論計算閥門的開度在 35% ～50% (見表4)，雖然有偏差，但開度還是吻合的。
4 閥門的選型和加工
4． 1 閥門流量特性的選擇
根據對閥門流量系數的計算，以及對閥門運行參數、加工數據的分析，閥門總行程 L =32 mm，為了方便計算和測量，取 10%L =3． 2 mm;常用開度 35% ～50%，對應行程變化量為 4． 8 mm;流通面積 200 ～ 260 mm 2 ，閥門流通面積變化量約60 mm 2 。汽 提 塔 的 可 控 液 位 的 總 體 積 為0． 175 m 3 ，液位控制范圍為 30% ～ 60%，介質體積變化范圍 0． 052 ～ 0． 105 m 3 ;閥門特性為直線型，特點為閥門開度小、流量變化量大、調節作用太快太強，易出現超調，引起系統不穩。線性流量特性在液位變化快、可調范圍小的工況下，調節性能差。而等百分比流量特性可以解決這個問題，在行程開度相同、相對流量變化量相等，以及流通面積變化量相同時，開度小、流量變化量也小，調節平穩，可調比寬［4］ 。線性流量特性和等百分比流量特性，閥門開度和相對流量的關系［2］ 見圖 3。由圖 3 可以看出:閥門相同開度，線性引起相對流量的變化量比等百分比大，等百分比變化比較柔和，所以對于汽提塔的液位調節閥，流量特性應該選擇等百分比。
4． 2 等百分比流量特性時閥芯尺寸和流通面積的計算
4． 2． 1 數據計算
根據對 LV-2202 運行數據的分析，選擇等百分比流量特性的閥芯更加適合現在的生產工藝，
對此特性的閥芯限流段設計數據(見表 5)，使用閥芯和閥座計算軟件計算 ［3］ ，結果見表 6(總計算有 14 組，現取 10 組數據做說明)。優化過程中，發現閥座通徑由于腐蝕變大為31 mm，則閥芯根據閥座通徑為 31 mm 計算。閥芯根據等百分比流量特性計算并加工，總行程為32 mm，總共計算 14 個截面，截面間隔 2 mm。在車床分 14 刀做出閥芯實物胚，再打磨圓整成為成品;全過程手工加工，因此存在誤差，加上管道流通阻力，閥門特性為近似等百分比流量特性，加工最大允許誤差≤0． 3 mm。與線性流量特性閥芯相比，在閥門開度變化量相同時，等百分比流量特性閥芯的相對流通面積變化量小，相對流量的變化也會柔和，液位的變化也會平穩，更加適應于汽提塔液位自動調節。
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