智能化控制阀在石油化工中的应用设计探究

曹骏CAO Jun

（安徽实华工程技术股份有限公司，安庆 264000）

0 引言

过程控制工业中控制阀是常用的终端控制元件，在石油化工行业生产过程中有着很大的作用意义，历往石油化工在进行生产工作时，经常会出现安全事故，对化工企业的人员和经济效益造成很大威胁。这其中阀门自身结构质量是重要的影响因素，如果阀门没有在正确的环境中进行安装，同时安装出错，很容易导致阀门质量存在问题，并且自身智能化程度关乎其自我诊断的效果，如果诊断故障就不能在问题发生后报警，最后阀门损坏，造成生产事故。此外阀门运行时需保持在额定参数范围内，并且需要工作人员定期对阀门进行检查，及时发现故障，如果阀门一直处在超负荷工作状态中，会导致相关零件破损，同时如果阀门选型与实际生产装置不搭配，也会出现安全问题。

1 控制阀定义

控制阀，又称调节阀，是工业过程控制中的主要执行单元仪表，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。控制阀一般由执行机构和阀门组成。如果按其所配执行机构使用的动力，控制阀可以分为气动、电动、液动、手动与自力式五种，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动控制阀，以液体介质（如油等）压力为动力的电液动控制阀，手动操作的手动控制阀、依靠流经阀内介质自身的压力或温度作为能源驱动的自力式调节阀，另外，按其功能和特性分，还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型控制阀等[1]。

2 石油化工行业中智能化控制阀的设计故障问题以及功能要求

现阶段，各大企业、工厂逐渐走向智能化生产的发展方向，传统生产方式难以在现今时代发挥优势，相关企业在生产环节应注重对数字化技术的利用，使用微机控制技术来取代传统的人为操作，加强对智能化阀门仪表的利用，加强现代化企业生产建设。不过目前智能化控制阀在具体使用过程中还存在一定的问题，需要做好革新与强化工作。

2.1 工艺及设计引起的故障

①工艺参数变化而导致管道压差变大等原因导致阀门无法动作。

②阀体受到介质的影响而结垢，引起阀门动作异常。

③因管道堵塞引起的阀门不能正常动作。

④设计选型不当，导致执行机构偏小，力矩不够，阀门难以正常动作，或阀体材质不合适，导致阀体损坏[2]。

2.2 原因对策

①由于承受过大压差导致控制阀无法正常开启。优化处置方法：在控制阀前后加装1台旁通阀。

②因工艺原因阀体结垢而导致控制阀不能正常开启。优化处置方法：增加冲洗水管，另外定期拆开阀门清洗阀体，必要时打磨阀芯。

③管道堵塞导致控制阀不能动作。优化处置方法：优化操作方式，尽量不使管道堵塞，另外拆开管道冲洗阀门。

④关于设计选型问题。优化处置方法：在设计阶段尽量对各种工艺参数进行优化，确保选型时不会因为工艺参数不准导致选型出现问题。

3 智能化控制阀设计要求

3.1 控制阀模块化设计

在设计控制阀中的智能操作系统以及其制定组织的配套设计时，需要选择无管道连线，从系统结构入手，按照控制阀类型来划分模块，功能不变部分可称之为通用模块，功能变化部分则为专用模块，并独立开发各模块性能，图一为模块化控制阀模块组合。同时自身的抗震动以及坚固性能应得到强化，并且在具体安装时应加入灵活性、多样化的特征，确保其能够自由调节安装方向，另外需要安装的附件也应进一步优化，力求能够稳定、迅速、简易的完成安装流程，符合安装现场总线的相关要求。另外和控制阀有关的零件，应该具有统一的用途，在不同口径阀门中尽量使用相同的零部件。在具体设计产品过程中，不光要保证多样性、功能优化的特点，同时智能化控制阀的灵敏度以及工作效率等应该进一步强化[4]。

图1模块化控制阀模块组合示意图

3.2 智能化设计

在设计控制阀环节中，控制方式较常用的有两种，分别为气体控制以及电动控制。前者主要作用在定位器方面，而护着是在电动执行机构中体现作用。在数字技术的运用层面中，智能控制阀的控制核心主要通过数字智能定位器与电动机构向结合的方式而形成，使用数字通讯在总线上传送控制阀内的流量，同时可以通过智能装置来实现信号联系，进而省略了主控系统的连接流程，只要在智能变送器的调节阀中连接一个相关信号，就能实现控制现场的工作，而主处理的工作状态得到加强。通过这种智能化设计，能够将工作情况通过工作设备的人机界面来实时显示，在这个过程中，报警历往信息、实时报警信息、数据报表、历史报表等都能快速采集，并通过建立曲线模型等方式来讲控制阀工作状况清晰的显示出来。

同时所设计的智能化控制阀应具有自我诊断以及自我诊断功能，如果构成回路的某一环节产生故障，就可以通过网络报警，同时各个装置可以实时的相互质询，确保故障得到排除。

3.3 安全性能设计

在为石油化工行业设计智能控制阀时，应将安全性能作为第一考虑要素，在选择智能化控制阀的材料时，应注重耐高压、高温、燃烧等性能，最大化降低使用故障，提高产品生命使用周期。同时其自身的操动机构要保证具有很高的安全性能，进而在使用阀门的过程中不会出现误开误关等失灵故障，增大生产成本。

3.3.1 控制阀（调节阀）降压系统在选择时需要考虑的因素

控制阀作为一种终端部件而应用在设备的过程控制系统中，是化石工厂惯常使用的执行器，根据系统要求，控制阀在工作时应尽可能消耗更低的能量，同时可以匹配系统的工作特性。但这两个要求在实际过程中并不互通，很难同时满足。在得到同样流量的条件下，如果控制阀口径小，且其他阻力因素固定，将得到较大的总阻力，系统总压降大。如果物体流量是由泵来推动的，就说明选择泵与电机时需要选择大功率类型，这将造成大量能耗。

管道系统存在的介质如果增加流速，管道上安装的各部件在流体经过时而形成的流体压降会呈现一连串动态变化，而控制阀作为管道控制流体的重要部件，其形成的流体压降很容易被忽略，而这个问题如果不被重视，很容易出现问题。就控制阀相关系统问题来研究，应先掌握控制阀本身情况，而它的降压与系统动态平衡之间的关系也应考虑在内[5]。

而对应泵在该系统存在的压力特性方程为：

ΔPfo表示泵出口压力增压在零流量时的常数；ρ为液体位液体介质质量密度；F为液体介质的质量流量；

在这个基础上可以来探讨一下系统调节阀存在的最大压降与最小压降。

3.3.2 基于控制阀的气蚀现象应考虑的问题

在使用控制阀时需要采取防护措施，最大程度降低气蚀现象的出现，可以在控制阀上下游位置安装截止阀或气流孔板，以此对其压降特性进行调节，此方法适用于小流量情况，同时内件在选择时应带有反气蚀功能，以此来有效防护气蚀，有助于在调节阀内改变流体流速变化，加大内部压力。控制阀的材质选择应尽量具有较硬的特质，这样如果发生气蚀，控制阀自身耐磨性和抗冲蚀性得到加强，即使气蚀存在，短时间内也不会对控制阀捏肩造成损坏，而控制阀的材质属于软性质，难以具有较好的耐磨性以及抗冲蚀性，进而发生气蚀很快就会磨碎内部构造，控制阀使用寿命降低，无法正常工作。现阶段工程材料没有什么能在严重气蚀条件下产生很大作用，因此需要根据客观情况来对相关问题综合分析，确保后续处理方式有效合理，最大化降低控制阀的损耗。抗气蚀应用中常见的直行程控制阀内件多采用以下三种典型的设计：如图2：a的套筒型阀笼设计，小孔设计是主要特点，通过各小孔来喷射液体，以此互相碰撞阀笼中心，一方面利用碰撞进行动能消耗，起到缓冲作用；另一方面气蚀形成的气泡破裂发生在阀笼中心，也就避免了对阀内件的直接破坏。第二种则是运用多级降压原理在设计，流体压差分配在整个多级阀笼流道，这样每一级阀内件承受的压降都要远远小于总体的压降，在多级压降设计中建议采用不均匀的压降分布，如图3所示，这种设计可使得最后一级阀内件承受最小的压差，从而更容易消除气蚀破坏的风险。其中典型多级降压法内件设计可参考图2：b、c，前者使用介质较干净的工况，后者则是脏污气蚀工况更适应[7]。

3.4 防漏与防噪声

智能化控制阀的防漏功能主要发挥在那内漏与外漏方面上，在其中阀座结构以及填料质量是重要的取决因素，想要将这种问题有效解决，主要有三种方案：其一是将螺纹结构进行优化，以此让阀座得到更密封的效果性能。其二则是设计填料新乡密封箱，使用特殊材料并采用V形填料设计方式来加强密封性，加入微型密封圈、防尘圈，避免损坏密封元件。其三则是将填料的材质进行优化完善，提高填料的可运行时长[8]。

在生产环节，控制阀的应用会带来一定的噪声，这很容易影响到生产线员工的正常工作，为此要加强噪声优化设计，在设计时可以利用多空套筒式、多级套筒式、迷宫式结构来将噪声有效优化，最终效果通常能降低10-20db的噪声。同时在具体设计环节应不断将防噪音技术进行创新与强化，加强对优质材料的运用，提高防噪声效果，塑造更良好健康的工作环境，同时维护生态环境。另外为了更有效的控制噪声，阀的操作条件需要进一步优化，实现降低、消除噪声的目的。控制阀工作环节，需要分析具体噪音情况，只有掌握噪音出现机理才能对控制阀工作状态进行有效监视，并针对问题制定相适应的处理方案。

①机械类震动。即套筒内的阀芯在水平运动时所产生的噪音，可以通过减小阀芯和套筒间隙或套筒表面材质选择硬质材料来减轻噪音。②固有频率震动。控制阀的阀芯以及相应组建都存在固定的震动频率，为了降低这个原因产生的噪音，可以在铸造、锻造环节改变阀芯特性来实现，或将阀芯类型进行更换。③阀芯不稳定性。控制阀流体压力会由于阀芯振荡性位移而产生波动，形成噪音。想要优化这种现象，通常要对执行器等存在的阻尼系数进行调节，也可以观察阀芯位移方向，并在其中填设减振设施。④介质的力学流动性。控制阀或管道中的介质在流动时会产生噪音，气蚀现象也会出现噪音，对于这种问题处理方法本文就直接省略了。

但一些噪音以现下的技术是无法消除的，只能做好保护措施，及佩戴耳塞等。

图2常见的抗气蚀阀笼示意图

图3单级与多级分布压降分布比较示意图

3.5 提高工作效率

在对智能化控制阀进行设计时，应注重加强其工作性能，以此提高工作效率，具体方法如下，首先是注重控制阀自身的密封效果，通过有效强化能够促使安全性得到提升。而控制阀在生产过程中会产生耗气量，因此设计环节应该对这个问题进行优化，可以考虑使用数字式智能定位器以及硅微控制原理，由于控制阀耗气并不是连续性的，通过定位器动作可以实现有效排气，而其与时间则是关闭的。其次，启动操作机构可以使用多弹簧喷气装置来构成，以此避免操作机构受到腐蚀，为内部结构提供保障，同时有助于操作机构延长自身使用寿命。

3.6 控制阀安装时的注意事项

首先要适当调整安装阀门的文职，确保其与地面存在一定距离，并且上下部分的空间也要保持充足，保证后期阀门维护以及拆账环节能够顺利进行，便于操作，如果阀门需要定位器或手轮调节阀来辅助安装，要确保操作的便捷性，便于观察，进而能够及时发现问题进行调整。要提前清楚管道存在的异物，像是焊渣、污垢等，保证在安装之间管道干净整洁。针对后期涉及到的手动操作，应设定旁通管道来提高操作便捷性，降低操作难度，同时控制阀出现问题也能便于检修。另外控制阀所安装的管道要保持水平，并且管道与阀门处于上下垂直状态，常规来说，会加固控制阀的下面部位，以此促使控制阀更加稳固。安装控制阀是要尽可能避免阀门形成的附加盈利。如果工艺管道的口径与控制阀不一致，应使用异径管，小口径类型调节阀，可以使用螺纹异径管连接来完成安装工作。安装时要保证控制阀流体方向与实际工况方向相一致。如果现场条件充足，阀的前后应存在大于管道直径十倍的直管段。

4 结束语

社会在不断进步，同时相关科学技术也在不断更新，化石工程应加强智能控制阀的使用和开发，提高生产效能。现阶段智能控制阀仍然存在一定问题，在设计环节中应注重阀门的安全性建设，同时还要注重模块化、小型化特征的优化和完善，化工企业要加强投入力度，注重技术研发，促进生产自动化水平的提升，同时结合控制阀传统系统控制经验，不断创新控制方法，为控制阀技术提升奠定基础。