控制阀的控制能量转换

尽管多年来数字仪表和过程控制系统有了很大改进，但过程流体最终还是由机械部件控制。控制阀充当过程控制回路中的最后一个元件，它会影响压力、温度和流量等过程变量。这些被设计为响应来自控制系统的可变指令信号在连续的基础上进行调制。与具有不同设计细节的开/关阀或隔离阀相比，这种连续控制使它们遭受更严重的磨损。从理论上讲，任何阀门、执行器和定位器组合都可以响应影响流体流的控制信号来调整其位置。根据过程控制回路，考虑占空比、冲程速度、灵敏度、分辨率、安装增益和能量守恒。选择错误的控制阀会导致过程控制回路不稳定、过程可变性、过度磨损和灾难性故障。 



图 1. 单级可压缩流体。图 2. 阶段可压缩流体。

控制阀驱动

通常根据阀门类型选择驱动，并由供应商确定尺寸。根据阀门要求和最小可用空气压力使用气动计算。根据服务的特点和限制移动的可能性，通常包括高达 50% 的安全系数。阀门定位器是一种调节（行程）阀门的装置，根据命令/输入信号将其移动到所需的行程点。根据输入类型和所需的诊断选择定位器。当位置精度和响应时间至关重要时，高性能通常可用于应用程序。额外的仪器，如限位开关、切换阀和电磁阀，可能包括用于反馈或故障模式。

管理能源转型 

能量对话定律意味着能量既不能被创造也不能被消灭；相反，它只能从一种形式转换或转移到另一种形式。流体流既包含压力和温度形式的势能，也包含运动形式的动能。当流体流通过流动路径中的限制器（控制阀）时，势能会转换为动能。压力降低，可能还有温度降低，势能会降低。动能通过增加平均速度而增加。额外的势能用于产生振动和可能的流体相变。控制阀的内件组件必须具有适当的几何形状和材料来管理能量转换。 



图 3. 多级脏服务可压缩流体。图 4. 扩大面积轴流。

管理清洁和肮脏的可压缩流体 

在可压缩流体空气动力学产生高压降的情况下，控制阀会产生噪音，导致振动，从而导致金属疲劳。损坏的阀杆、执行器轭和附件安装硬件故障可能是由于空气动力噪声产生的破坏性振动造成的。此外，如果噪音水平过高，职业安全与健康管理局 (OSHA) 法规可能要求使用额外的 PPE（个人防护设备）——听力保护装置。 

气动噪声的源头控制可以通过分流来实现。其中一个例子是“钻孔技术”，许多控制阀制造商使用这种设计来控制或消除流体通过阀内件时产生的空气动力噪声（图 1）。分流意味着不是让流体通过单个开口，而是通过并行通过多个开口将流体分成多个较小的流股。每次将开口数量增加一倍，噪音就会降低大约 3 dBA。噪音降低主要是因为较小的开口将噪音转移到更高的频率。当声音穿过管壁时，较高的频率比较低的频率衰减得更多。孔的直径越小，频移越高。此外，由于人耳（以及噪声计上的“A”加权曲线）会衰减较高的频率，因此测量到的和感知到的噪声都会降低。通过分阶段压降可以获得额外的降噪效果（图 2）。由于每一级只占总压降的一部分，因此每一级都会产生较少的振动。来自所有阶段的振动总和将小于来自单个阶段的振动。每个都会产生较少的振动。来自所有阶段的振动总和将小于来自单个阶段的振动。每个都会产生较少的振动。来自所有阶段的振动总和将小于来自单个阶段的振动。



图 5. 多叠板清洁可压缩流体。图 6. 激光切割堆叠盘。

在使用脏的可压缩流体产生高压降的情况下，典型的钻孔方法可能会堵塞，因此压降分级是空气动力噪声源控制的唯一方法。如上所述，在压降分段中，不是在一个步骤中处理整个压降，而是将压降分为多个步骤（图 3）。当压降采取不止一步时，单个速度峰值小于由单级压降导致的速度峰值。由于噪声与速度之间的密切关系，速度的小幅降低会对降低噪声产生很大的影响。对于脏流体，轴流设计更为典型。流体沿着阀芯向下流过，并围绕阀塞上的多个级进行多次转弯。由于该设计不包含任何小孔，因此微粒可以畅通无阻地通过。通常，随着流量随着每个压降的增加而增加，各级的横截面积必须增加（图 4）。

压降分级可以通过多种方法获得。对于清洁流体，典型的径向流动模式可以通过多个同心钻孔保持架来保持。对于具有大质量流量和高压差的应用，钻孔修整设计不再提供足够的解决方案。通过将流体转向损失和堆叠中的收缩/扩展区域相结合的堆叠板设计，可以获得更多的级数，从而获得更高水平的降噪。流体路径可以是单平面或多平面，并根据制造商使用多达 36 个阶段（图 5）。 

管理清洁和肮脏的不可压缩流体 

对于不可压缩的流体，如果压降占入口压力的很大百分比，或者出口压力接近或低于蒸气压，则流体有可能发生相变。相变包括空化和闪蒸。流体相变会对控制阀内部和下游管道造成严重损坏，从而缩短维护间隔和灾难性故障之间的时间。 
在空化中，当流体离开端口并从液体变为气体时，压力下降到低于流体蒸气压。在随后的压力恢复过程中，随着体腔或下游管道中流体速度的降低，流体变回液体。气泡的破裂会释放大量能量，如果它与阀门或管道表面接触，则可能会造成极大的破坏。 



图 7. 单级空化遏制。图 8. 双级空化遏制。

与空气动力学降噪一样，使用清洁流体控制气穴的最常用方法是“钻孔”技术。流体被分成多个离散的流路，收缩、膨胀和碰撞成完全相反的流路，以防止空化的破坏性影响（图 7）。通过具有小直径的多个孔来划分流动限制了空化气泡的尺寸。与较大的气泡相比，较小的气泡单独包含的能量要少得多，并且崩溃得更快。通过控制修整速度并将气泡引导到流的中心，它们将在撞击到任何表面之前坍塌。通过在流动流的中间坍塌，它们不会损坏任何组件，并且产生的噪音将被抑制。

在肮脏的不可压缩流体中，需要进行源头处理以消除气穴现象，同时允许颗粒畅通无阻地通过（图 9）。在这些情况下，不能使用小孔来最小化气泡的能量。多级轴流技术旨在对压降进行分级，使最后一级的管线压力保持在流体蒸汽压力之上，从而完全消除气穴现象。流动被分流、重组、转向、收缩和膨胀，从而降低流体速度，减少每个阶段的静压损失和能量转换（图 10）。



图 9. 不可压缩的脏服务气蚀消除。图 10. 不可压缩的气穴消除。

管理流体相变

在出口压力低于蒸气压的不可压缩流体应用中，相变是不可避免的。当流体通过限制时，它将从液体转换为气体。相变所需的能量会降低流体的温度，从而降低蒸气压，并且将实现平衡，其中只有一部分流体会发生相变。如果出口压力接近蒸汽压力，只有一小部分会转化为气体。在这些情况下，通常只需使用硬化材料即可将损坏降至最低。

在出口压力远低于蒸汽压力的应用中，例如锅炉排污，闪蒸的百分比将非常显着。在这些情况下，硬化材料不足以提供适当的保护，但可以应用不同的阀门几何形状来减少或消除由于流体流中的闪蒸造成的损坏。使用标准截止阀，流体在通过端口时会发生相变，并产生指向阀体壁的高速流。角阀和偏心旋塞阀的几何形状允许流体直接从阀门流出，无需任何转弯（图 11 和 12）。这些通过允许流体直接闪蒸到下游管道中来消除阀体损坏的可能性。 



图 11. 角度模式流几何闪烁服务。图 12. 偏心旋转控制阀闪蒸服务。
 

对于更苛刻的应用，使用文丘里出口将减少出口处的湍流，将最高速度引导到流动流的中心。沿流动流外侧降低的速度降低了管道腐蚀的可能性。对于这两种管理技术，可能需要大量的直管段以防止高速流体撞击管道弯头造成的侵蚀。

控制阀最终选择

控制阀的选择部分是科学、部分经验和部分偏好。对工艺条件的正确评估允许识别与工艺相关的潜在问题并选择适当的管理技术。将控制阀选择最佳实践与类似操作条件下类似应用中的历史运行时间性能相结合，以确定适当的管理技术。这将允许初始资本支出和长期维护成本之间的平衡，并防止不可预测的过程中断。