0 引言

控制阀是生产过程中常用的一种控制机构，是保证生产过程的平稳运行、保证产品质量一个非常重要的组成部分。正确地选用控制阀，关系到整个自控系统的控制质量，直接影响到产品质量。

根据具体应用的需要，选择适当类型的阀门至关重要。向供应商咨询，选择适当的阀门类型，是最为有效的途径。但当阀门价格限制控制过程的选择时，采用任何折衷方案都会牺牲阀门性能的完美性和可靠性。通常情况下，购买价格低廉不适合运行控制的阀门，日常运行费用将会相对增加，最终得不偿失。因此，如何正确选择合适的控制阀，是每个设计人员必须重视的问题。

1 控制阀选型的原则

1.1 控制阀体结构形式的选择

在满足要求的前提下，可能有几种适合的控制阀，应考虑综合经济效益：

◎一般优先选择体积小、通过能力强，技术先进的直通单、双座控制阀和普通套筒控制阀。

◎高静压、大压差的场合选用高压角型阀。

◎分流和合流场合、用于简单配比控制选用三通阀。

1.2 控制阀体材料的选择

选择材料时，主要考虑材料硬度、强度、耐腐蚀和耐低温、高温的特性。首先应满足安全可靠，还要考虑应用性能、寿命和经济性；寒冷地区、蒸汽介质不宜采用铸铁阀体。

1.3 控制阀芯的选择

定量地选择阀芯的形式很困难。在实际设计中，通常是按照国内、外工程设计的经验来确定。例如，对液体的调节通常采用线性的流量特性；对压力、温度、流量调节通常采用等百分比的流量特性；在需要快速切断的调节系统则用盘型阀芯、快开特性。

阀芯材料的选择，根据实际需要选择304、316、17-PH或合金等。

1.4 控制阀流向的选择

◎高压控制阀，DN≤20时，选流闭特性的阀门；DN＞20时，应根据具体情况来确定阀门特性。

◎角型控制阀，对于含有悬浮液、高黏度、固体颗粒的工艺介质，要求阀门自洁性好，宜选择流闭型；仅为角型阀时，可选择流开型。

◎单座控制阀，一般选流开型。

◎小流量控制阀，一般选流开型，当介质冲刷严重时，可选择流闭型。

◎单密封套筒控制阀，一般选流开型；有自洁要求的可选流闭型。

◎两位型控制阀，一般选用流闭型。

1.5 执行机构的选择

单动执行机构通常都采用气动薄膜式的设计，采用这种方式，使用弹簧可以减少阀座的负荷，还可以承受全部闭合压力；双动执行机构采用气动活塞式的设计，采用这种方式，与薄膜式的设计不同，气源压力不需要进行调节，为达到较高闭合的压力，可应用全负荷供气压力，对于气动活塞式，压力越高，阀门控制灵敏度、稳定性就越好。

1.6 控制阀泄漏量

阀泄漏量是指在规定的温度、压力条件下，试验流体通过处于关闭状态的控制阀流量。一般情况下，阀泄漏量不影响控制品质。但对控制液位、事故放空等工况，则要求阀泄漏量很小或严密切断。

1.7 选择控制阀气开气闭原则

控制阀作用方式分气开气闭两种，有信号压力时控制阀关，无信号压力时控制阀开的为气关式，反之为气开式。原则如下：

◎事故安全。事故条件下，控制阀的开度应处于使生产装置安全的位置。

◎事故状态下，减少原料或动力消耗，保证产品质量。如，进料控制阀采用气开式，事故时阀关闭，停止进料；回流控制阀采用气闭式，事故时阀全开，保证回流量。

◎考虑介质特性。对于易结晶、易凝固液体，导热油或蒸汽流量控制阀应选气闭，防止结晶凝固。

1.8 阀流量特性的选择

◎按控制特性、干扰源、S（阀阻比）值3个方面综合考虑。

◎一般选择的原则。

作用在阀门上压差变化较小、给定值变化较小、工艺过程主要的变量变化较小及S＞0.75的调节对象，宜选线性流量特性。

缓慢的生产工艺，S＞0.4时，宜选线性流量特性。

对于可调范围大，管道压损大，开度变化大及阀上压力差变化较大的场所，宜选择等百分比的流量特性。

慢速生产工艺，如对系统动态过程不熟悉时，宜选择等百分比特性。

根据设计经验可按表1选择控制阀流量特性。

表1 控制阀流量特性

注：△Px—表示正常流量下的阀两端压差

△PQux1—表示阀关闭的阀两端压差

◎快开流量特性：适用两位动作场合或需要快速获得控制阀最大的流通能力场合。当控制器必须设定在宽比例带时，其控制阀也可选用快开特性。

1.9 流体压力、温度的影响

根据控制介质最大工作压力来选择控制阀压力时，必须根据工艺介质温度条件综合考虑，公称压力是在一定温度下依据强度来确定的，其允许的最大工作压力应低于公称压力。

例如：碳钢阀门，当公称压力PN16，流体温度200℃时，最大耐压1.6MPa；当流体温度为250℃时，最大耐压为1.5MPa；当流体温度400℃时，最大耐压只有0.7MPa。

2 天然气净化厂控制阀型式选择

2.1 工艺过程控制阀

一般要求泄漏量小、流量较小、阀前后压差小的场所宜选单座控制阀，单座控制阀只有一个阀芯，容易保证密封。例如：为了稳定工艺过程压力的压力控制阀，为了稳定液位的液位控制阀，为了控制流量的流量控制阀等，但需要特别注意的是单座控制阀不适用于高粘度或含悬浮物颗粒流体的场合。因此，在确定阀门型式时需要特别留意确定工艺介质中是否含有固体颗粒等杂质。

2.2 分离器排水控制阀

高压天然气从井口到进站内分离器或多或少含有颗粒状物质（泥沙），所产生的污水排放到站内闭排（开排）系统，宜选用角型控制阀。角型控制阀的阀体为直角形，阀体内侧流线型通路有助于防止固体在内壁堆积，特别适用于高粘度或含悬浮物、高静压、大压差流体的调节场合。

2.3 调压放空控制阀

对于站内气体放空的应用，控制阀必须选用多级减压多通道、弯曲的流道阀芯设计以减少振动及磨损，根据阀芯出口动压能标准，阀出口应设计为扩口形式，根据投资的大小可选用多级笼式控制阀或迷宫阀。阀笼级数的确定必须保证阀芯出口动压能小于275kPa。

2.4 制冷J-T阀

J-T阀就是焦耳-汤姆逊节流膨胀阀，焦耳-汤姆逊节流膨胀原理简单的说就是高压气体经过节流膨胀后温度会下降。J-T阀广泛应用于站场制冷工艺中。

J-T阀不建议使用迷宫式的构造。为了避免阀笼堵塞，J-T阀宜采用内小外大的圆形钻孔设计。除了圆孔不易被水合物堵塞以外，内小外大的钻孔设计，也有利于吹扫工作，使堵塞物更轻易地被清除。入口大出口小的阀笼设计就类似口哨，只有提高噪音，不会有降噪功能。J-T阀应采用放大的阀门出口，有助于减低流速，避免湍流，使流体出了阀门后，不会在管道内再度产生噪音。更低的出口流速也减少了流体对阀门出口和下游管道内壁的冲刷。

2.5 温度配比三通阀

在天然气处理装置温度控制中，经常会出现既要进行温度的精确控制又不允许流体有高的压力损失的情况，该工艺过程宜选用三通控制阀。三通控制阀用于介质温度小于300℃的合流和分流场合，简单配比调节控制。

分流三通控制阀宜选用底进侧出结构，合流三通控制阀宜选用侧进底出结构。

3 控制阀选型计算

3.1 系统压降

控制阀在工程应用中的主要用途有：

◎降低流体压力时进行能量转换。

◎处理非正常运行状态。

◎处理必然出现的过程变化产生的影响。

◎允许从一种负荷状态平稳转化到另一种状态。

为了能够实现上述目标，阀门上必定存在一定的压力损失，控制阀的压降至少不能低于系统压降的10%，才能实现正常控制；达到良好控制时，需要的压降值为30%，低压降会引起阀门性能的缩减。

3.2 阀门尺寸

工程设计中控制阀尺寸选择最常见有以下3个问题：

第一个问题是设计者选择了不当的阀门压力降。设计中应考虑阀门位置高低变化及管道阻力，管道系统一般阻力为压降的四分之一到三分之一之间。由于计算阀门时这个压降选择不正确，总是导致阀门偏小。

第二个问题是阀门在计算时余量过大，导致阀门太大。这样就造成在低负荷运行时，阀杆非常接近阀座，而导致产生阀座表面冲刷现象。过大的增益致使形成超出规定范围，也就是说，在行程变化轻微时，流量却波动很大。选择适当尺寸的阀门在全负荷运行时，行程通常在阀门额定行程的85～95%之间。

第三个问题是选择阀门尺寸仅仅依据全负荷与正常负荷运行点上的条件，而没有充分考虑阀门从正常负荷到全负荷时的过程条件。在设计中，应充分考虑热、冷、启动、冲洗、清洗、低负荷、停机、紧急停机、非设计工况、高负荷与正常运行等多方面的因素。

3.3 阀门出口流速

在设计中另一个需要考虑的设计因素是阀芯出口流速。由于静压转换为动压，而流体速度过大，会导致局部压力变化过大，当管道系统中的流体通过阀门流向发生变化时，会产生涡流现象。流体速度高与局部压力变化大是导致振动、噪声、气蚀、冲刷与控制不力等现象产生的根本原因。

根据多年实践应用，阀门出口速度范围可参照表1.2阀门出口动压能标准值。

表2 阀门出口动压能标准值

3.4 执行机构

执行机构的稳定性和灵敏度决定阀门的控制水平，执行机构应有足够的推力，提供足够的关阀力量，尽量减少由于泄漏造成的冲刷，这样可以保证阀门有较长的运行寿命。一般情况下，执行机构面积越大，阀座关闭性能越好，稳定性与灵敏度就越好；但是，面积越大，所需要的成本也越高。因此，选择执行机构原则如下：

◎在阀全关时输出推力F（或力矩M）应满足下面公式的要求：

公式中：Ft、Mt—阀门不平衡力或力矩

Fo、Mo—压紧阀座力或力矩

◎执行机构应满足阀门所需要的行程，阀关闭时，应有足够阀座的密封压力。

◎薄膜执行机构的结构简单、动作可靠、便于维修，应优先选用。

◎要求执行机构输出力矩较大、响应速度快时，应优先选用活塞式执行机构。

◎在成本最小化的要求下，执行机构在设计中不考虑余量。

◎气动执行机构上应装有可就地操作的手轮，手轮可在无仪表风的条件下操作，并应保证在最大差压时仍易于进行手轮操作。手轮的旋转应是顺时针关闭。

4 控制阀安装、运行中常见问题及解决

4.1 控制阀安装的一般要求

◎控制阀宜正立、垂直安装于水平管道上。公称直径大于DN80的控制阀，其阀前、后管道上应设永久支架。

◎控制阀的上、下部分应留有足够的操作空间，以便维修时取出执行机构和阀内件以下的下法兰和堵头。在拆卸阀门后重新组装时，不得再使用原密封件及垫片。

◎控制阀安装时应注意使介质按阀体标定箭头方向流过。

◎控制阀应先检查校验，并在管道吹扫后安装。

◎除紧急联锁放空以及浆状和易结晶的流体调节外，控制阀应设置旁路。

◎自力式控制阀原则上可不安装旁路阀，是否安装旁路可根据工程需要确定。

4.2 控制阀运行中常见问题及解决

◎在新建或系统大修时，在管道内部总会存在切割、机加工、研磨、焊接、组装与安装过程产生的杂质。因此必须通过对管线吹扫、清洗来保护阀门内件（吹扫时应取出阀内件或打开旁通阀）。如果不清洗掉入管道中的杂质，当阀门运行时，这些杂质会刮伤密封面，使阀门调节部件受到损坏。当密封件无法达到密封程度时，也会产生振动问题。

◎在现场使用中，控制阀选得过大，或生产处于低负荷工作状态，控制阀就工作在小开度。为提高工作点位置，使控制阀有一定开度，常采用关小工艺阀门的方法，以增加管道阻力，降低控制阀的流量。这样控制阀的开度虽然增大了，但实际上由于管道阻力的增加使S值下降，会使流量特性发生畸变，造成调节质量下降。

◎阀门在给信号后无动作，出现这种问题的原因很多，没有气源或气源压力不足，供气管线断裂、破损，执行器故障、泄漏等都有可能产生阀门不动作，因此应逐项检查是否有以上故障并维修或更换阀门。

◎控制阀在进行维护时，应避免工艺突然泄压或零部件爆裂引起的人员伤害和财产损坏。因此，在任何维护之前，首先要让人员穿戴上防护服及防护眼镜，避免人员伤害；其次应切断给执行器供应的仪表风、电力电源或调节信号的操作线路，确保执行器不会突然关闭或打开阀门；第三，应用旁路或完全关断工艺流程的方式将流体压力与阀门隔开，完全泄放阀门两端的流体压力，排放阀门两端的介质；第四，放空气动执行器压力并释放任何执行器弹簧上的预压缩力；第五，即使阀已从管线上撤下，阀的填料函等内件可能包含受压的工艺介质，当取出填料环或填料硬件时，工艺介质可能会向外喷出，也应做好防护措施。

5 结束语

控制阀是整个工艺过程平稳运行的关键设备，控制阀选择是否合适直接影响工艺产品的质量，因此，每个设计人员应慎重选择控制阀。