作 者： 周超群
摘 要： 通過對控制閥的原理、流量特性、結(jié)構(gòu)類型的闡述，介紹了三通控制閥在藍星0kt/a有機硅單體工程項目中的應(yīng)用。
1 控制閥的節(jié)流原理

從流體力學(xué)的觀點看，控制閥是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件，對不可壓縮流體，由伯努利方程可以求得通過控制閥的流體流量（如式（1）。

式中 q_V———體積流量；

p₁———閥前壓力；

p₂———閥后壓力；

A———節(jié)流面積；

ξ———控制閥的阻力系數(shù)；

ρ———流體的密度。

由式（1）可見，當(dāng)A一定，p_1–p₂不變時，q_V僅隨控制閥阻力系數(shù)的變化而變化：若ξ減小，則q_V增大；反之，若ξ增大，則q_V減小?？刂崎y就是根據(jù)控制信號的大小和方向改變閥芯的行程來改變閥的阻力系數(shù)，以達到調(diào)節(jié)流體流量的目的。

式中C———控制閥的流通能力。

C的定義：溫度為5～40℃的水，當(dāng)控制閥全開，閥兩端的壓差為0.1MPa，每小時流經(jīng)控制閥的流量數(shù)（m³/h）。中國控制閥流量系數(shù)將由C系列變?yōu)镵_V系列。C和K_V之間的關(guān)系為：K_V=1.01C。

2 控制閥的流量特性

指介質(zhì)流過控制閥的相對流量與控制閥的相對開度之間的關(guān)系，如式（2）所列。

q_V/q_Vmax=f（l/l_max）（2）

式中q_V/qV_max———相對流量，即控制閥某一開度下的流量與全開流量之比；

l/l_max———相對開度，即控制閥某一開度下的行程與全開時行程之比。

一般來說，改變控制閥的閥芯與閥座之間的節(jié)流面積便可調(diào)節(jié)流量，但實際上由于各種因素的影響，在節(jié)流面積變化的同時，還會發(fā)生閥門前后壓差的變化，而壓差的變化也會引起流量的變化。因此，流量特性有理想流量特性和工作流量特性。

2.1 理想流量特性

控制閥在前后壓差恒定的情況下得到的流量特性稱為理想流量特性（也叫固有流量特性）。理想流量特性取決于閥門本身（閥芯輪廓曲線、加工粗糙度等），廠家提供的樣本上就是這種特性。較為典型的理想流量特性有直線流量特性、等百分比（對數(shù)）流量特性、快開流量特性和拋物線流量特性。

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2.2 工作流量特性

控制閥的工作流量特性是指控制閥在前后壓差隨負荷變化的工作條件下，控制閥的相對開度與相對流量之間的關(guān)系。在實際使用時，控制閥大多裝在具有阻力的管道上，控制閥前后的壓差不能保持不變，雖在同一開度下，通過控制閥的流量將與理想流量特性所對應(yīng)的流量不同，有時流量特性會發(fā)生較大的畸變。

3 三通控制閥

三通閥有3個出入口與管道相連，按作用方式可分為合流和分流兩種，合流是兩種流體通過閥時混合產(chǎn)生第3種流體，或者2種不同溫度的流體通種閥有2個進口和1個出口。分流是把1種流體通過閥后分成2路，當(dāng)閥在關(guān)閉1個出口的同時就打開另1個出口，這種閥有1個入口和2個出口。

三通閥是由直通單、雙座控制閥改型而成，在原來的下閥蓋處改為接管，即形成三通。三通閥的閥芯結(jié)構(gòu)采用圓筒薄壁窗口形，并采用閥芯側(cè)面導(dǎo)向，而不同于柱塞形閥芯的襯套導(dǎo)向，這樣可使閥芯導(dǎo)向方便，結(jié)構(gòu)簡單，流通能力不致降低。合流閥和分流閥的閥芯形狀不一樣，合流閥的閥芯位于閥座內(nèi)部，分流閥的閥芯位于閥座外部，這樣設(shè)計的閥芯，可使流體的流動方向?qū)㈤y芯處于流開狀態(tài)，閥能穩(wěn)定操作，所以，合流閥必須用于合流的場合，分流閥必須用于分流的場合。當(dāng)DN<80mm時，由于不平衡力較小，合流閥也可以用于分流的場合。三通閥的閥芯不能像雙座閥那樣反裝使用，因此，三通閥氣關(guān)、氣開的選擇必須采用正、反作用執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)。

4 三通控制閥的應(yīng)用

下面介紹三通控制閥在藍星100kt/a有機硅單體工程項目中反應(yīng)部分導(dǎo)熱油系統(tǒng)中的應(yīng)用，其工藝流程如圖1所示。

該反應(yīng)系統(tǒng)是在銅催化劑作用下，以硅粉和氯甲烷為生產(chǎn)原料，在流化床反應(yīng)器中直接合成粗甲基氯硅烷混合含塵氣體，利用一級旋風(fēng)除塵器除塵后，合成氣進入后續(xù)系統(tǒng)中凈化分離，最終生成甲基單體。

每周期開車前，先用導(dǎo)熱油對流化床反應(yīng)器硅粉床層升溫，來自反應(yīng)器粉料氣流輸送機的干燥粉料，以及來自氯甲烷氣體過熱器的過熱氯甲烷氣體，被導(dǎo)熱油預(yù)熱到合成反應(yīng)開始的溫度，在銅催化劑催化條件下，使氯甲烷與硅粉進行合成放熱反應(yīng)。放熱產(chǎn)生的熱量被導(dǎo)熱油帶出，用于產(chǎn)生中壓飽和水蒸汽。

反應(yīng)器的導(dǎo)熱油加熱結(jié)構(gòu)分兩部分，反應(yīng)器外部為半管夾套，保證外部熱量分布均勻；反應(yīng)器內(nèi)部為指型管加熱，指型管均勻分布使傳熱均勻，反應(yīng)器開車升溫及正常反應(yīng)冷卻采用導(dǎo)熱油提供和帶走熱量，回收反應(yīng)熱用以副產(chǎn)中壓蒸汽。

開車階段，流化床反應(yīng)器（R-201）需進行升溫時，先向反應(yīng)導(dǎo)熱油罐（D-801）注入一定量的導(dǎo)熱油，開啟反應(yīng)導(dǎo)熱油泵，將導(dǎo)熱油送進流化床反應(yīng)器內(nèi)部的指型循環(huán)管和外部的半管夾套，進行流化床反應(yīng)器的床層升溫。返回D-801降溫后的導(dǎo)熱油，再次進行循環(huán)加熱。當(dāng)流化床反應(yīng)器的床層溫度達到指定值時，通入過熱氯甲烷開始正常生產(chǎn)。正常生產(chǎn)時，用導(dǎo)熱油吸收合成反應(yīng)放出的熱量。導(dǎo)熱油進反應(yīng)器時的溫度為250℃，出反應(yīng)器時的溫度升到260℃。導(dǎo)熱油出反應(yīng)器后直接進入反應(yīng)導(dǎo)熱油罐，與反應(yīng)導(dǎo)熱油泵旁路返回的導(dǎo)熱油混合。

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反應(yīng)導(dǎo)熱油泵把加熱后的導(dǎo)熱油經(jīng)三通閥（TV-418021A），一部分送到廢熱鍋爐（E-801）；另一部分進入流化床反應(yīng)器（R-201）。兩部分的流量是由三通控制閥的閥芯同步反向調(diào)節(jié)三通閥的A、B出口的開度來分配，這種流量調(diào)節(jié)方式無節(jié)流，流阻小，作用在閥上的壓力相對較小，不會對泵產(chǎn)生背壓，使導(dǎo)熱油泵的導(dǎo)熱油流量保持恒定。若流化床反應(yīng)器的溫度發(fā)生變化，溫度信號經(jīng)控制系統(tǒng)進行運算，控制三通閥的執(zhí)行機構(gòu)帶動該閥的閥芯動作，從而改變了三通閥的A、B口的開度，達到調(diào)節(jié)流量的目的。假設(shè)R-201溫度偏高，TIC-418023調(diào)節(jié)器將起作用：一是加大進入到R-201中的導(dǎo)熱油流量，以移走R-201中更多的熱量，使溫度降下來。同時，TIC-418023還要改變調(diào)節(jié)器TIC-2418021的設(shè)定值，使其輸出變化，從而改變?nèi)ㄩyTV-418021A/B閥門的開度———首先加大進入E-801的流量，利用E-801降低進入的導(dǎo)熱油的溫度，從而降低R-201的溫度，在E-801中，利用被加熱的導(dǎo)熱油的熱量，生產(chǎn)1.0MPa（G）的飽和蒸汽，換熱后的導(dǎo)熱油直接進入反應(yīng)器；如果出E-801的導(dǎo)熱油溫度偏高，即此時R-201的溫度還繼續(xù)偏高，則利用導(dǎo)熱油冷卻器（E2802）處的三通閥（TV-418021B），將導(dǎo)熱油轉(zhuǎn)向旁路去導(dǎo)熱油冷卻器，E-802用循環(huán)冷卻水冷卻，即改變?nèi)ㄩyTV-418021B的B出口，進入E-802的油量加大，E-802冷卻后的導(dǎo)熱油與經(jīng)TV-418021A的主流導(dǎo)熱油在靜態(tài)混合器中充分混合后去流化床反應(yīng)器，便更多地降低導(dǎo)熱油的溫度，最終能用導(dǎo)熱油移走R-201中更多熱量，使R-201的溫度回到設(shè)定值上。由三通控制閥（FV-418021）定量控制的導(dǎo)熱油進流化床反應(yīng)器半管夾套管，余下的導(dǎo)熱油去流化床反應(yīng)器內(nèi)部指型循環(huán)管束。

在有機硅單體的生產(chǎn)過程中，反應(yīng)部分是非常關(guān)鍵的，反應(yīng)器控制得好與壞將直接影響到最終產(chǎn)品———甲基單體的產(chǎn)量和質(zhì)量。由于甲基單體合成的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，合成反應(yīng)的操作溫度需控制在300℃左右，因此及時把多余的熱量移走，才能保證反應(yīng)的順利進行。鑒于該反應(yīng)控制的重要性和關(guān)鍵性，對反應(yīng)器的控制采用了反應(yīng)靈敏、調(diào)節(jié)速度快且控制性能穩(wěn)定，同時又不是非常復(fù)雜的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以反應(yīng)器溫度（TT-418023）作為主調(diào)參數(shù)，反應(yīng)器入口的導(dǎo)熱油溫度（TT-418021）作為副調(diào)參數(shù)，2臺三通控制閥（TV-418021A/B）作為副環(huán)的被調(diào)對象，當(dāng)導(dǎo)熱油流量、溫度發(fā)生變化，TT-418021引起波動，副調(diào)節(jié)器TIC-418021）立即進行調(diào)節(jié)，通過TV-418021A/B的開度變化，改變至廢熱鍋爐及導(dǎo)熱油冷卻器的導(dǎo)熱油量來達到不影響到反應(yīng)器溫度的目的。如果導(dǎo)熱油流量、溫度變化很大，影響到反應(yīng)器入口溫度（TT-418021）及反應(yīng)器溫度（TT-2418023）的變化，這時主調(diào)節(jié)（TIC-418023）的輸出開始發(fā)生變化，對副調(diào)節(jié)器（TIC-418021）來說，它將接受給定值與測量值兩方面的變化，從而加速了調(diào)節(jié)過程，但此調(diào)節(jié)過程依然通過改變TV-418021A/B的開度實現(xiàn)。除了上述通過串級控制回路來控制流化床反應(yīng)器的溫度外，還由反應(yīng)導(dǎo)熱油泵的回流流量來調(diào)節(jié)，加快了調(diào)節(jié)進程。

綜上所述，在反應(yīng)導(dǎo)熱油控制系統(tǒng)中采用了3臺三通控制閥，可以省掉3臺二通閥和3臺三通接管，既能簡單、有效地進行控制，根據(jù)反應(yīng)器所需的熱量進行流量分配，同時又能保證半管夾套及指型管內(nèi)的流量穩(wěn)定，使整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，完全滿足工藝要求。