油氣管道調(diào)節(jié)閥計算選型軟件設計

1中油國際管道有限公司

2中國石油天然氣管道局工程有限公司設計分公司

在調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的設計中，確定調(diào)節(jié)閥的口徑是十分重要的環(huán)節(jié)。口徑選得過小，工藝所要求的最大流量不能通過；口徑選得過大，會增加投資，而且使調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在小開度條件下從而造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。調(diào)節(jié)閥口徑的確定，實際上是根據(jù)工藝條件進行流量系數(shù)Cv值的計算，根據(jù)計算結(jié)果確定調(diào)節(jié)閥口徑，既能保證通過工藝要求的最大流量，而又不留過多的裕量。調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的確定不但與工藝參數(shù)有關(guān)，還與閥門結(jié)構(gòu)、閥芯類型、幾何尺寸等多種因素有關(guān)，即使同種口徑調(diào)節(jié)閥，不同廠家其流量系數(shù)也是不同的，以往調(diào)節(jié)閥選型計算是將工藝參數(shù)提供給閥門廠家，由廠家計算Cv和閥門口徑，然后由設計人員進行流量系數(shù)Cv值復算和口徑校核，因此在一定程度上受到廠家的制約，并且增加了設計周期，選型結(jié)果往往也不準確[1]。

調(diào)節(jié)閥計算選型軟件種類繁多，但這些軟件大都是針對某一個廠家的閥門進行計算和選型，因此開發(fā)基于多廠家數(shù)據(jù)融合的調(diào)節(jié)閥計算選型軟件，有利于解決油氣管道行業(yè)調(diào)節(jié)閥計算選型長期以來效率低、精度不高、選型結(jié)果不準的難題。

1 計算選型基本步驟

從工藝提供參數(shù)數(shù)據(jù)到最后調(diào)節(jié)閥口徑確定，一般需要以下幾個步驟：

（1）確定最大和最小流量。根據(jù)管道年輸量、設備負荷及介質(zhì)狀況，確定最大工作流量Qmax和最小工作流量Qmin。

（2）確定最大壓差和最小壓差。由調(diào)節(jié)閥進出口壓力值確定，必要時需要考慮設備的壓損。

（3）計算調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Cv值。根據(jù)已確定的流量、壓差及其他有關(guān)參數(shù)，計算最大工作流量時的Cvmax值。

（4）初步確定調(diào)節(jié)閥口徑。根據(jù)已計算的Cvmax值，在所選用的廠家產(chǎn)品系列中，選取大于Cvmax值并與其接近的一檔Cv值，確定調(diào)節(jié)閥口徑。

（5）閥芯流速及開度驗算。要求流速不超標，開度不能太大，也不能太小。

（6）可調(diào)比驗算。一般要求實際可調(diào)比大于10即可。

（7）上述驗算合格，所選閥口徑則合格，若不合格，需要重新計算Cv值，并另選閥門，直至驗算合格。

2 調(diào)節(jié)閥計算模型

2.1 氣體介質(zhì)時的調(diào)節(jié)閥計算模型

根據(jù)IEC和ISA標準推薦的公式[2-5]，調(diào)節(jié)閥Cv值計算公式如下：

式中：Q為氣體流量，m3/h（0 ℃，1 atm）；r為氣體重度，kg/m3（0 ℃，1 atm）；p1為閥前壓力，100 kPa；p2為閥后壓力，100 kPa；Δp為壓差，100 kPa；FL為壓力恢復數(shù)（可查表）；t為介質(zhì)溫度，℃。

根據(jù)IEC和ISA標準推薦的公式[2-5]，對于氣體介質(zhì)預估噪聲SPL計算公式為

式中：D為閥后管直徑，mm；h為音響效率（可查表）；l為管道壁厚，mm；slg為氣體特性參數(shù)（可查表）。

2.2 液體介質(zhì)時的調(diào)節(jié)閥計算模型

根據(jù)IEC和ISA標準推薦的公式[2-5]，調(diào)節(jié)閥Cv值計算公式如下：

當流體流動狀態(tài)為一般流動時，即當Δp＜ΔpC=FL2(p1-pV)時，調(diào)節(jié)閥Cv值計算公式為

當流體流動狀態(tài)為阻塞流動時，即當Δp≥ΔpC時，調(diào)節(jié)閥Cv值計算公式為：

公式（5）中，當Δp＜0.5p1時，

當Δp≥0.5p1時，

式中：pV為飽和蒸汽壓，100 kPa（可查表）；pC為臨界點壓力（可查表）；ΔpC為臨界壓力，100 kPa。

根據(jù)IEC 534第8章，液體介質(zhì)預估噪聲SPL計算公式如下：

如果Δp＜Kc(p1-pV)，預估噪聲SPL計算公式為

如果KC(p1-pV)＜Δp＜FL2(p1-pV)，預估噪聲SPL計算公式為

如 果Δp＞KC(p1-pV)，p2＞pV，預估噪聲SPL計算公式為

式中：KC為初始空化系數(shù)（可查表）。

3 軟件設計

3.1 功能需求及軟件總體設計架構(gòu)

本軟件是專門為油氣管道開發(fā)的一款計算及選型軟件，采用Visual Basic 6.0和SQL計算機技術(shù)在Windows 7操作環(huán)境下進行開發(fā)。軟件主要由兩大部分組成，分別是氣體介質(zhì)時計算選型和液體介質(zhì)時計算選型。輸入和輸出部分采用圖表和對話框形式，直觀明了，易于用戶掌握和分析。根據(jù)調(diào)節(jié)閥計算專家、設計人員及廠家技術(shù)人員的建議，開發(fā)軟件時還兼顧考慮了如下因素：①數(shù)學計算模型避免過于復雜，將計算結(jié)果準確性與軟件可用性相結(jié)合；②數(shù)據(jù)庫的建立包含油氣管道常用的各種類型閥門參數(shù)信息；③選型后可進行流量系數(shù)及預估噪聲復算，提高準確性；④輸入輸出能滿足多種需要。

軟件總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 軟件總體結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Overall structural framework of the software

3.2 主要功能模塊設計

根據(jù)軟件總體結(jié)構(gòu)框圖，結(jié)合實際需要，軟件的主要功能模塊設計如圖2所示。

圖2 軟件主要功能模塊Fig.2 Main function module of the software

3.2.1 主控模塊

主控模塊主要用于協(xié)調(diào)各功能模塊工作，能夠完成調(diào)節(jié)閥計算項目新建、打開、保存及軟件退出操作等功能。

3.2.2 氣體介質(zhì)時計算選型模塊

該模塊為本軟件的核心模塊，采用SQL數(shù)據(jù)庫和VB語言，結(jié)合氣體介質(zhì)計算模型，計算流量系數(shù)(Cv)和預估噪聲(SPL)；根據(jù)閥門的信息輸入進行閥門預選，可自動選定閥門；然后重新載入?yún)?shù)，進行Cv、SPL值復算；再進行開度、流速及可調(diào)比核算。

3.2.3 液體介質(zhì)時計算選型模塊

該模塊為本軟件的核心模塊，采用SQL數(shù)據(jù)庫和VB語言，結(jié)合液體介質(zhì)計算模型，計算流量系數(shù)(Cv)和預估噪聲(SPL)；根據(jù)閥門的信息輸入進行閥門預選，可自動選定閥門；然后重新載入?yún)?shù)，進行Cv、SPL值復算；再進行開度、流速及可調(diào)比核算。

3.2.4 輸出模塊

經(jīng)過上述計算過程后，本模塊可以輸出閥門預選結(jié)果，還可以顯示選定閥門的閥門特性曲線，最后可以輸出計算書。

4 應用實例

以中亞天然氣管道工程CS4壓氣站調(diào)節(jié)閥FV4601為例[6-9]，采用本軟件進行調(diào)節(jié)閥計算和選型。首先給出該調(diào)節(jié)閥的工藝參數(shù)。

最大流量下工藝參數(shù)：天然氣通過調(diào)節(jié)閥在最大工況下流量為62×104m3/h（0 ℃，1 atm）；調(diào)節(jié)閥前入口壓力為10 MPa；調(diào)節(jié)閥后出口壓力為8.2 MPa；介質(zhì)溫度為55.1 ℃；介質(zhì)密度為0.8 kg/m3；調(diào)節(jié)閥前管道口徑為508 mm；調(diào)節(jié)閥前后管道壁厚為11 mm。

正常流量下工藝參數(shù)：天然氣通過調(diào)節(jié)閥在正常工況下流量為58×104m3/h（0 ℃，1 atm）；調(diào)節(jié)閥前入口壓力為9.81 MPa；調(diào)節(jié)閥后出口壓力為6.0 MPa；介質(zhì)溫度為50 ℃；介質(zhì)密度為0.8 kg/m3；調(diào)節(jié)閥前管道口徑為508 mm；調(diào)節(jié)閥前后管道壁厚為11 mm。

最小流量下工藝參數(shù)：天然氣通過調(diào)節(jié)閥在最小工況下流量為5×104m3/h（0 ℃，1 atm）；調(diào)節(jié)閥前入口壓力為9.0 MPa；調(diào)節(jié)閥后出口壓力為6.0 MPa；介質(zhì)溫度為16 ℃；介質(zhì)密度為0.8 kg/m3；調(diào)節(jié)閥前管道口徑為508 mm；調(diào)節(jié)閥前后管道壁厚為11 mm。

打開計算軟件的主控界面選擇氣體介質(zhì)的選型計算，當屏幕出現(xiàn)計算界面時，將上述最大、正常、最小流量下的工藝參數(shù)輸入；單擊Cv、SPL計算，可算出各自流量下的流量系數(shù)及預估噪聲；然后單擊選擇閥門，可根據(jù)算得的Cv值，軟件自動選定口徑從而確定閥門特性參數(shù)；單擊重新載入?yún)?shù)，即可將選擇的閥門特性參數(shù)回填至輸入?yún)?shù)中；單擊Cv、SPL計算，重新計算Cv、SPL；最后單擊開度驗算，可計算出開度及可調(diào)比。計算結(jié)果和軟件畫面如下：

圖3 軟件主畫面Fig.3 Main interface of the software

圖4 調(diào)節(jié)閥系數(shù)Cv和噪聲初算Fig.4 Control valve coefficient Cv and noise initial calculation

（1）打開程序主畫面，選擇氣體介質(zhì)的選型計算（圖3）。

（2）輸入工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)閥系數(shù)Cv、預估噪聲SPL初算（圖4）。

（3）進行閥門預選，選定閥門后重新載入?yún)?shù)進行復算，然后進行開度驗算及可調(diào)比運算，最終確定閥門，其閥門預選結(jié)果及所選閥門特性參數(shù)曲線如圖5所示。

（5）如果選擇口徑合適即可輸出計算書，否則應擦除運算結(jié)果進行重選。

經(jīng)過與非廠家計算軟件SPI（Intools）及廠家提供的計算書進行比較，非廠家SPI軟件計算的Cv、預估SPL值及閥門選型結(jié)果：Cvmax=570，Cvnor=371，Cvmin=35；SPL＜85 dB；選定的閥門口徑為10 in。

廠家計算的Cv、預估SPL值及閥門選型結(jié)果：Cvmax=567，Cvnor=396，Cvmin=35.7；SPL＜85 dB；選定的閥門口徑為10 in。

而本軟件計算的Cv、預估SPL值及閥門選型結(jié)果：Cvmax=565，Cvnor=369，Cvmin=34；SPL1=129 dB，SPL2=125 dB，SPL3=114 dB；選定的閥門口徑為10 in。

三種計算結(jié)果Cv值基本一致，流通系數(shù)出現(xiàn)差異的原因主要在于閥門特性參數(shù)的選取上，本軟件閥門口徑選型結(jié)果與SPI計算軟件、供貨廠家選型結(jié)果相同。由于本軟件閥門特性參數(shù)都采用真實值，其計算結(jié)果與SPI軟件相比更加貼合實際；同時建立了多種不同廠家的數(shù)據(jù)，與單一廠家計算軟件相比，其應用更加廣泛，選型也更加合理。

圖5 閥門選型結(jié)果和閥門特性曲線Fig.5 Valve selection result and valve characteristic curve

5 結(jié)束語

本軟件根據(jù)IEC和ISA標準推薦的公式建立了氣體介質(zhì)和液體介質(zhì)兩種計算模型，采用VB編程語言、SQL數(shù)據(jù)庫等計算機技術(shù)進行軟件開發(fā)，六年多來，軟件運行平穩(wěn)，操作簡單，界面友好。具有很好的用戶體驗。本軟件針對油氣管道行業(yè)開發(fā)，建立了大量的不同類型、不同調(diào)節(jié)閥廠家的數(shù)據(jù)庫，使得計算選型結(jié)果更加貼合實際，在多尺度、多來源、多維數(shù)據(jù)環(huán)境下實現(xiàn)了調(diào)節(jié)閥計算及選型的集成化和自動化，已成功應用于中亞管道、中緬管道、西二線等多個國家大型重點工程項目，大幅提高了調(diào)節(jié)閥計算和選型精度，縮短了設計周期，節(jié)約了大量人工和設備投資費用，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。本軟件于2013年成功獲得國家軟件著作權(quán)。