从曲流式到轴流式，天然气场站流量调节阀在进化
1.概述
中国调节阀技术水平经过近数十年的引进、创新与发展，有了长足的提高，但同国外先进技术水平相比尚有很大的差异，重点是高温、压力、大孔径调控阀容易产生卡塞、振荡、噪音大、驱动扭矩过大、安全性较低、应用时期短、密封填料容易泄漏等问题。同时，在基础理论研发和结构技术创新上还没有赶上现代产业发展的要求。而轴流式调节阀则是一个全新结构的调节阀，其吸收了传统曲流式调节阀的技术优势，将阀芯套和阀芯在阀体内室中顺向道安装，流体在使用调节阀的整个过程中流动方位基本不进行变化，而是顺管路的轴向方位流淌，这样一来就能够减少流道流阻，从而提高了阀门的通行能力。下面结合天然气站场所用的调节阀从曲流式变为轴流式的改进，从结构特点、工作原理、性能分析等几方面浅析轴流式与曲流式调节阀的区别以及各自优势。
2.流量调节阀的技术改造分析对比
2.1 结构特点分析对比
目前仙人渡接收站内含两家下游分输撬，分别为老河口中燃及谷城华润，老河口中燃技改后使用的为轴流式流量调节阀，谷城华润使用的仍然为曲流式流量调节阀。在结构上，轴流式和曲流型流量调节阀都能够进行气体天然气在管路中的调整，但构造上曲流型调节阀的整体流动能力受球形阀体的Z形流道构造制约而无法提高，其原因主要是介质在气体流道内经多次的流动变化，容易产生漩涡，相互冲击，耗费大量动能。同时当孔径大于DN400时，调节阀门的行程过长，调整灵敏度下降，整个结构笨重，驱动力也过大。而轴流式调节阀则改善了曲流型调节阀门(图1)的总体流动构造，使介质在阀门内以轴向的顺环形流道流动，流体在阀门内的流动变化极小，动能损失也较小。整体铸造圆筒结构更加符合了承压容器的受力特点，且承压特性良好。其阀体流道式顺管路中介质流动设计，同时还在阀体内腔中设有流线锥形导流罩，以引导流线的速度和流动，使管路中流线分布均衡，压力均匀。
在节流部件上曲流式调节阀的调节部件垂直于管道，气体在阀门内部为Z字形流向，经调节后的气体汇集与阀门出口一侧流出，天然气输送中流阻稍大，振动和噪声偏大，口径越大越明显。而轴流式调节阀则参考于曲流式调节阀的套筒构造，不同之处在于轴流式调节阀流入装置后，使阀芯沿阀套内轴向运动，阀芯设计为气压均衡型构造，抵消了由节流口内前后向不同气压所造成的不平衡力，并以此解决了曲流型调节阀孔径小，差异压力小的约束。
（a）
（b）
（a）曲流式 （b）轴流式
图1 调节阀结构图
从场站实际供气流量曲线（图2）可以直观地看出，在老河口中燃撬块通过轴流式调节阀实现了流量调整之后，天然气在管路中流量比较均匀，并且通过轴流式调节阀的调节减少了对流体局部高速流动、紊流、飞溅流等的冲击作用，从而最大限度地增加了单位体积的流通能量。
（a）
（b）
（a）改造后的老河口中燃轴流式调节阀调节曲线
（b）未改造的谷城华润曲流式调节阀调节曲线
图2 日常流量调节曲线对比
2.2 性能分析对比曲流式调节阀的总体构造为圆锥形，内在流路大体上像一平置的Z形，当流线在进入到阀体之后进行流动的几次转换，尤其是在节流口左右的二次约90°的突然转换，对流体动力的损失很大，因而流线阻高（见图1曲流式调节阀结构图）。从内在流线路上研究，其流体路线很繁杂，Cv值小，防堵效果不好，体积过大，调节动作不灵敏，整体外观也不好。从移动方面分析，由于阀杆的上下运动，滑动摩擦力大，阀杆密封性不好，耐振动特性也不好。从构造上分析，由于阀芯在阀座与阀芯套之间，因此无法防止高速媒介的直接冲击，因而严重负面影响寿命。
轴流式调节阀则克服了曲流式调节阀阀芯的直角节流问题，介质水平流进排出，使阀体腔内流道的旋转更加顺畅，流路形式为倒S形状态，不会出现介质流动不畅现象，不至于产生阻塞。轴流结构流阻较低，内部外壳可以整体铸造，耐介质的脉动振动性较好。将脉动压力垂直抵抗于关键部件内壁上，不直接作用于阀芯及阀芯套，因此适合于调整管路介质流量、流态和调整管网气压的工作中。轴流架构设计与材质选用可使之抗冲击，且不易卡阻。稳定的阀芯设计使控制压力大大下降，采用软硬双质密封设计，使阀门泄漏量为零，可作截止阀用。
结合流量调节阀技改工作完成情况，仙人渡接收站分别对现场情况及日常输气操作情况进行记录分析。对比发现轴流式与曲流式流量调节阀在输气中存在一定的差异，主要表现在以下几个方面：（1）调节精细程度分析。老河口中燃分输支路轴流式调节阀现场开度为2%时，调节阀已有气流声通过，现场已开始通气；谷城华润分输支路曲流式调节阀现场开度需到45%时，调节阀才有气流声通过。在日常流量调节中，轴流式流量调节阀调节气流更加精细，避免了瞬时过大流量对分输设备产生的影响，所以在日常流量调节中轴流式调节阀灵敏度明显优于曲流式调节阀。（2）设备操作力矩分析。轴流式调节阀自带全平衡阀芯结构，在现场分别对轴流式及曲流式调节阀进行操作，在调节阀前后存在相同压差的情况下，轴流式调节阀开启力矩明显比曲流式调节阀小，启闭更加轻松，大大降低了电动执行机构的设备要求。（3）工作平稳度分析。由图3轴流式调节阀原理图可以看到，轴流式调节阀阀芯套的窗口是由许多按等比例曲线规则加工的小孔所构成，其不仅使调节阀的流速特性得到了优化（在较小流速时，由于阀门的开度改变而导致的流速改变较小；在大流速下，阀的开度改变产生的流速变大），而且大量的小孔能够均匀地增加流阻，降低噪声。经现场对比老河口及谷城两路撬块输气流量同为15000Nm3/h时，使用检测仪对两处流量调节阀进行噪声定点监测。轴流式流调阀处测量结果为69.2dB(A)，曲流式流调阀处测量结果为74.3dB(A)。谷城支路曲流式调节阀输气振动情况明显高于老河口支路轴流式调节阀，可见轴流式流量调节阀在输气运行平稳度上也有一定的优势。（4）运行情况分析。从图3可以看出，曲流式调节阀的上密封，为了密封从结构上就要求密封填料压缩后必须紧密接触阀杆和填料函。虽然从阀杆、填料函和填料选择上改进了很多，并且增加密封脂注入结构，用于提高密封能力和减少摩擦，但是由于曲流式调节阀的工作原理决定了阀杆要频繁地在行程范围内上下移动，磨损后泄漏不容易避免。而轴流式调节阀作为传动部件的斜齿条副是在全封闭的齿条副函中，它和调节阀的流动介质基本隔开，唯一可能与介质接触的地方是阀杆与齿条函套筒的密封处（图3）。轴流式调节阀采用优质的专用密封圈，大大减少了介质进入齿条函引起外漏的可能性。根据场站曲流式调节阀9年运行情况分析，场站共4台曲流式调节阀，累计缺陷出现共30余次，集中表现在阀杆磨损严重导致阀杆处外漏天然气，阀杆因开启力矩大导致阀杆断裂，阀杆处密封圈老化密封不严等问题，轴流式调节阀到目前未出现任何缺陷。
2.3 维护保养与加工制造
轴流式调节阀内件由出口装入，无上阀盖。维修需将整台阀门从管道上取下，尤其对于大口径调节阀维修较麻烦。而曲流式调节阀内件由上阀盖装入，在不需要更换阀体的情况下，打开上盖就可以取出内件更换，维修不需要从管道上取下阀门。因此曲流式调节阀相对于轴流式调节阀更容易现场维护。
轴流式调节阀结构复杂，制造难度大，成本高。曲流式调节阀结构稍微简单，加工难度低，成本稍低。
3.流量调节阀技术改造的意义
仙人渡接收站在完成曲流式流调阀更换为轴流式流调阀的改造工作后，分别对场站两种流量调节阀近一年时间来使用的情况进行对比分析，改造后已取得的初步效果：
（1）场站目前单支路运行可以满足下游日常用气，但下游冬季高峰时因场站整体运行压力过低，无法满足流量计合理工况范围内运行，高峰时期偶尔还需开双支路同时供气，相比改造前整日双支路运行，时间大大降低，一定程度上降低了安全风险。
（2）场站输气噪声大大降低，轴流式流调阀结构上的改善，不仅对于调节阀本身各项性能大大改善，并且整体管道输送中的其他设备影响也大大降低，提高了管道设备的使用寿命。
（3）轴流式调节阀的精度控制能力也大大提高，能够有效控制气体瞬时过量，从而达到了对湍流的有效控制。无论是远控、站控还是现场管理，都可以合理调节流量，运行简单、快速、可靠。
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