聚甲醛TIC-6243控制阀快开改等百分比研究

1 绪言 调节阀TV-6243是用于调节进入氮气换热器E-621的50℃水的流量，从而控制与之换热的氮气温度，氮气温度一般控制在80℃左右。若温度太高，则会引起聚甲醛粉料的分解，影响生产的产量，还会导致AISHH-6241氧分析仪氧气高联锁动作，引起停车；温度过低，则会使氮气中的杂质—甲醛气体冷凝，以及粉料粘结引起堵管，造成整个聚合系统停车，因此该调节阀较为重要。因外方将TIC-6243控制阀选为快开型流量特性，造成氮气温度无法自动控制。从开车就发现不能投自动，一直以来都是打旁路进行手动操作，增加了工艺人员的工作量，且不能进行精细操作。同时，该阀一当开启，阀内就发出较大的噪声，分贝值远远超过了国家标准，直接影响着工艺操作人员的身心健康，对环境造成噪声污染。因此必须对该阀进行分析研究，改变该阀的调节流量特性，能够实现自动调节控制，减轻操作人员的工作量，保护员工安全，实现精细操作。同时减低噪声，保护环境。 2 TIC-6243控制阀的结构 聚甲醛研磨单元50℃水调节系统TIC-6243控制阀的阀体属于Y型结构，由阀盖、密封填料函及快开型阀芯组件组成，结构简单，阀阻比小，全开时阀前后压差与系统总压差之比S的值在0.6-0.3之间。该阀结构示意图如图1。 图1 TIC-6243控制阀结构示意图 3 TIC-6243阀不能自动控制的原因分析 由图1中的阀芯形状不难看出，截流面是平板形的，控制阀的流量特性属于快开特性。这种流量特性在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，阀的放大系数也就达到了最大；此后再增加开度，流量变化很小。 由流量特性图2中可以知道，阀芯的有效位移一般为阀座直径的1/4，当位移再增大时，阀的流通面积就不在增大，失去调节作用。快开特性调节阀适用于快速启闭的切断阀或双位调节系统。 图2 聚甲醛研磨单元水—氮气热交换器调节系统 图2表示聚甲醛研磨单元水—氮气热交换器调节系统，它是由换热器E —621、变送器、调节仪表和调节阀TIC—6243等环节组成的。 显而易见，系统总的放大系数K为： K=K1K2K3K4K5 （3—1） K1 、K2 、K3、 K4、 K5分别为变送器、调节仪表、执行机构TIC—6243、阀、换热器E —621的放大系数。在负荷变动的情况下，为使该系统仍能使氮气的温度保持在预定的80℃左右，就必须使得总的放大系数保持不变。在该调节系统中，变送器、调节仪表、执行机构的放大系数是一个常数，但是换热器E —621的放大系数总是随着操作条件、负荷的变化而变化，故换热器E —621的特性是非线性的。因此，必须以阀的放大系数的变化来补偿换热器E —621的放大系数的变化，使得系统总放大系数保持不便或近似不便，才能保证氮气的温度控制在预定的80℃左右。 因此，阀门流量的特性必须满足： K4K5=常数 （3—2） 在该系统中，热器E —621的放大系数K5随着负荷的增大而变小时，阀的放大系数K4必须是随着负荷的加大而加大。由于快开特性的阀在开度较小的时就有较大的流量，放大系数变化非常大，K4K5之值就不会是一个常数，那么总的放大系数就无法保持不变，聚甲醛研磨单元水—氮气热交换器调节系统就无法实现自动控制。 4 TIC-6243控制阀的流量特性的选择 由上面的分析研究知道了具有快开流量特性曲线的快开型调节阀的是不能自动控制聚甲醛研磨单元水—氮气热交换器系统中氮气的温度，因此必须选择一种适合的流量特性的调节阀才能调节进入E-621换热器水的流量，使氮气的温度保持在80℃左右。公司生产过程中常用的调节阀的理想流量特性有直线、等白分比和快开三种。快开已经排除，可选择的就只有直线和等百分比流量特性，选择哪种更能适合呢？可从如下几个方面进行考虑。 4.1 从调节系统的调节质量分析选择。 从图2的分析知道换热器E —621的放大系数总是随着操作条件、负荷的变化而变化，它的特性是非线性的，如果选择直线特性的阀门，K4K5之值很难保证是一个常数，系统总的放大系数要保持不变也不容易达到，则系统就容易失调；由于调节阀TV-6243是用于调节进入氮气换热器E-621的50℃水的流量，与E-621换热器中氮气进行传热交换控制氮气温度。氮气温度增加时，E-621的放大系数K5减小，阀门的系数K4就必须增大。等百分比特性的调节阀比较合适。 4.2 从工艺配管情况考虑选择 TIC-6243控制阀的阀体属于Y型结构，全开时阀前后压差与系统总压差之比S的值约在0.6-0.3之间。根据工艺配管状况表（表4-1）可以看出：当S=1—0.6时，阀门的理想工作特性与工作特性一致，直线特性与等百分比特性均合适。但TIC-6243控制阀与工艺管道、设备等连接在一起，存在的阻力使调节阀的压力发生变化，因此阀的工作特性与阀的理想特性就不相符。当S=0.6—0.3之间时，选择等百分比特性的阀门就比较合适。 表4-1 考虑工艺配管状况表 4.3 从负荷变化情况分析选择 从图3可以知道直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大，过于灵敏，容易震荡，阀芯、阀座也容易破坏，在S值小、负荷变化幅度大的场合不宜采用。 图3 调节阀的理想流量特性曲线 从图1中可以看出TIC-6243控制阀的阀杆比较细，只有10mm，阀芯比较粗大，采用直线特性非常容易发生震荡，引发噪声；等百分比特性调节阀的放大系数随阀门行程是增加而增加，流量相对变化值是恒定不变的，在小的开度情况下流量相对变化值平稳，因此，它对负荷波动有较强的适应性，无论在全负荷或半负荷生产时都能很好的进行调节。 从以上三个方面的分析，选择等百分比特性的调节阀比较容易使聚甲醛研磨单元水—氮气热交换器系统进行自动控制。 5 实现等百分比流量特性的阀内件设计分析 一般来说，改变调节阀的阀芯与阀座之间的流通截面积便可以实现不同流量特性的控制。对于等百分比流量特性的阀芯，可以设计成如图4所示的阀芯形状。因此可以考虑对原来的阀芯进行加工，或新加工阀芯，使阀芯的形状与图4相同。 图4 等百分比流量特性的阀芯形状 从图1知道加工原阀芯的形状符合等百比是不可能的，主要是原来的阀芯尺寸没有足够的加工余量；加工一件新的阀芯比较困难，尺寸精度不容易得到保证；同时从TIC-6243控制阀的结构图1可知，阀杆细，刚性比较小，阀芯截面积比较大，当阀芯处于一定的开度时，流体作用在阀芯上时会产生较大的不平衡力，加上阀内压差与流体压力的波动，阀芯就会发生振动，引起噪声；为消除振动减小噪声，可以加粗阀杆，增强阀杆刚性；要加粗阀杆的直径，势必引起阀杆填料函及执行机构内部一些尺寸的改变。但由于该阀的执行机构与阀盖的设计是不允许做大的改动，增加阀杆直径也不允许。因此考虑增加阀笼及阀座，利用阀笼导向，稳定阀芯，在阀笼上按等百分比流量特性钻出许多小孔，分散流体流路，既能减小振动，降低噪声，又不加工阀芯改变形状，且能改快开为等百分比特性。这种方法加工方便，不对阀作什么改动，效果好，但所有的小孔的直径及位置都要进行仔细的计算，适当的隔开和排列，使得声波在进入小孔之前就互相撞击，消耗能量，从而降低控制阀的噪声。 6 阀笼与阀座的设计计算 调节阀TV-6243全开时，阀芯的行程为L，此时进入氮气换热器E-621的50℃水的流量为Qmax。当阀芯的开度为ι时，对应的流量为Q。对于等百分比流量特性则有： 式中R为调节阀的理想可调比（R=30），但在实际运行中，受工作特性的影响，阀前后压差与系统总压差之比S的值越小，最大流量相应减小。同时工作开度也不是从0至全开，而是在10%—90%左右的开度范围内工作，使实际的可调比进一步下降，因此： 考虑到流体是从阀笼周围的小孔通过，取S值为0.3，则R实际=16.4，所以当阀芯处于开度ι时： 6.1 阀笼流通面积分析计算 图5是某一开度下阀笼的流通面积，（图中小孔的阴影面积） 。此时的面积可以由图6计算。 2R—钻孔直径，mm ι—某一开行程下孔的开度，mm 图5 流通面积分析 图6 流通面积计算 设图中阴影面积为A，则有： 此时的流量为Q= Qmax 16.4（l/L-1） （6-3） 由于Q= NAV 式中V为流过面积A的平均流速。 N为钻孔数。 所以有： NAV= Qmax 16.4（l/L-1） 由上式可以得到阀芯行程位于ι时钻孔的数量为： 当钻孔的直径2R=8mm时，ι为L10%得到钻孔数为8个。取行程为L50%、L90%进<