調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計(jì)算及其選型分析

劉輝 司志娟(航天環(huán)境工程有限公司，天津 300457)

0 引言

調(diào)節(jié)閥是用于控制調(diào)節(jié)介質(zhì)流體流量和壓力，實(shí)現(xiàn)流體自動(dòng)化控制、保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定平衡的關(guān)鍵設(shè)備[1]。然而在調(diào)節(jié)閥的實(shí)際選型過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員往往對(duì)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和流量特性不熟悉，且不能掌握流量特性系數(shù)的計(jì)算方法，致使在調(diào)節(jié)閥的提資選型過(guò)程中，無(wú)法正確選擇合理流量特性和系數(shù)的調(diào)節(jié)閥，從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行和平衡操作。更有甚者需更換調(diào)節(jié)閥，造成經(jīng)濟(jì)成本的增加和系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定性。針對(duì)上述清形，本文結(jié)合調(diào)節(jié)閥的流量特性，探討性提出了流量系數(shù)較為精確的計(jì)算方法。通過(guò)計(jì)算所得的流量系數(shù)，結(jié)合調(diào)節(jié)閥適用的不同介質(zhì)參數(shù)和工況條件要求，可進(jìn)一步對(duì)調(diào)節(jié)閥的閥型、流量特性及閥徑等關(guān)鍵數(shù)據(jù)做出合理判定，分析選型得出合適的調(diào)節(jié)閥，為設(shè)計(jì)人員調(diào)節(jié)閥的正確選型提供參考依據(jù)，減少不必要的麻煩。

1 調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的計(jì)算方法

1.1 調(diào)節(jié)閥流量特性的定義

調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度的關(guān)系，以適應(yīng)不同的系統(tǒng)特性要求，流量特性反映了調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)品質(zhì)。調(diào)節(jié)閥的理想流量特性可歸結(jié)為直線流量特性、對(duì)數(shù)(等百分比)流量特性、拋物線流量特性和快開(kāi)流量特性，調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)的流量特性不同，決定了調(diào)節(jié)閥使用的介質(zhì)和工況條件的差異，同時(shí)增加了設(shè)計(jì)人員計(jì)算和選型時(shí)的復(fù)雜性和困難程度。

1.2 流量系數(shù)Kv

流量系數(shù)是調(diào)節(jié)閥重要的工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，合理計(jì)算和應(yīng)用Kv 值是調(diào)節(jié)閥正確選型和保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵步驟，Kv 值的定義為：當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，閥兩端壓差ΔP 為100kPa，流體重度r 為lgf/cm3(即常溫水：5～40℃)時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)，以m3/h 或t/h 計(jì)。流量系數(shù)表示通過(guò)流量的能力，同口徑Kv 值越大越好。國(guó)外，流量系數(shù)常以Cv 表示，兩者的換算關(guān)系為：Cv=1.167Kv[3]。

1.3 Kv值的計(jì)算方法

對(duì)于不可壓縮流體，Kv 值的傳統(tǒng)理論計(jì)算公式：

對(duì)于可壓縮流體，其理論計(jì)算公式：

因調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)不同，壓力的恢復(fù)情況不同，使得閥門(mén)的工作曲線與理論壓力曲線存在偏離。因此，引入一個(gè)表示閥壓力恢復(fù)程度的系數(shù)FL(壓力恢復(fù)系數(shù))對(duì)理論公式進(jìn)行修正，其表達(dá)式為：

式中：ΔPvc、ΔPc 為產(chǎn)生閃蒸時(shí)的縮流處壓差和閥前后壓差。

FL=1，P2與P1無(wú)關(guān)，壓力恢復(fù)無(wú)；FL＜1，P2接近于P1，壓力恢復(fù)程度高；FL越少，壓力恢復(fù)越大，一般取FL=0.5～0.98；通過(guò)對(duì)理論Kv 值計(jì)算公式的修正，針對(duì)不同的流體和流動(dòng)狀態(tài)，整理得出如下計(jì)算方法：

表1 不同流體和流動(dòng)狀態(tài)下Kv值的計(jì)算方法

計(jì)算公式中的代號(hào)及單位說(shuō)明：Q：液體流量，m3/h；QN：標(biāo)況下氣體流量，Nm3/h；GS：蒸氣重量流量，kgf/h；r：液體密度，g/cm3；rN：標(biāo)況下氣體重度，kg/Nm3；t：攝氏溫度，℃；tsh：過(guò)熱溫度，℃；P1：閥前壓力，100kPa；P2：閥后壓力，100kPa；ΔP：壓差，100kPa；Pv：飽和蒸氣壓，100kPa；Pc：臨界點(diǎn)壓力；ΔPc：臨界壓差，100kPa；FL：壓力恢復(fù)系數(shù)。

1.4 Kv值公式計(jì)算步驟

利用上述公式計(jì)算流量系數(shù)Kv 值的步驟如下[4]：

第一步：根據(jù)已知條件查介質(zhì)的物化參數(shù)：FL、Pc。

第二步：判定流體的流動(dòng)狀態(tài)。

(1)流體介質(zhì)為液體，進(jìn)行如下計(jì)算：判斷Pv 是大于還是小于0.5P1；由a 的判斷結(jié)果選取對(duì)應(yīng)的ΔPc 公式：若ΔP＜ΔPc則為一般流動(dòng)，否則為阻塞流動(dòng)。

(2)流體介質(zhì)為氣體，進(jìn)行如下判斷：ΔP/P1＜0.5FL2為一般流動(dòng)；ΔP/P1≥0.5FL2為阻塞流動(dòng)。

第三步：根據(jù)判定的介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)，選取對(duì)應(yīng)的Kv 值計(jì)算公式。

通過(guò)上述Kv 值的計(jì)算方法，得出調(diào)節(jié)閥在額定工況下的Kv 值，根據(jù)選擇的調(diào)節(jié)閥流量特性，若額定Kv 值在50%～80%之間，可初步判定選擇的調(diào)節(jié)閥型式合適。然后逐個(gè)計(jì)算在系統(tǒng)最低參數(shù)和最高參數(shù)工況下的Kv 值，校核所選調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行可靠性，若在系統(tǒng)最低和最高參數(shù)下對(duì)應(yīng)的Kv 值位于20%～90%區(qū)間內(nèi)，則說(shuō)明選取的調(diào)節(jié)閥合理[5]。

2 調(diào)節(jié)閥的選型應(yīng)用分析

在調(diào)節(jié)閥選型過(guò)程中，計(jì)算是基礎(chǔ)，選型要更復(fù)雜和關(guān)鍵。因?yàn)橛?jì)算依據(jù)固定的公式，它的本身不在于公式的精確度，而在于所給定的工藝參數(shù)是否準(zhǔn)確

2.1 預(yù)選閥型

調(diào)節(jié)閥的選型應(yīng)先歸納總結(jié)調(diào)節(jié)閥的基本型式，弄清楚其結(jié)構(gòu)型式、應(yīng)用特點(diǎn)，總結(jié)出它們的主要設(shè)備和設(shè)計(jì)參數(shù)、工作條件、適用工況和注意事項(xiàng)，然后在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性的進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的選型[6]。(1)分析流體介質(zhì)的類(lèi)型。分析介質(zhì)的壓力、溫度等級(jí)；分析流體的介質(zhì)特性：屬于一般流體或高黏度、有毒、腐蝕性流體。(2)明確調(diào)節(jié)閥的功能。泄漏量、壓差ΔP(包括正常工作壓差，閥關(guān)閉時(shí)壓差)應(yīng)滿(mǎn)足工藝要求；特殊介質(zhì)要求，如防堵、耐蝕、耐溫、耐壓等。(3)分析綜合經(jīng)濟(jì)投資成本和運(yùn)行效果，確定調(diào)節(jié)閥型式高可靠性：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高；使用年限長(zhǎng)、操作檢修方便，備品備件充足已采購(gòu)；產(chǎn)品價(jià)格適宜，性能價(jià)格比好。

2.2 流量特性的選擇

工作流量特性與壓降分配比S(又稱(chēng)閥組比，即閥體部件全開(kāi)時(shí)的閥前后壓差和系統(tǒng)總壓差之比) 有關(guān)。調(diào)節(jié)閥本體的壓降越小，調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)通過(guò)的流量相應(yīng)減小，曲線越向下移動(dòng)，使得原本理想的直線特性畸變?yōu)榭扉_(kāi)特性，理想的對(duì)數(shù)特性畸變?yōu)橹本€特性，一般S 不小于0.3。通常情況下，對(duì)于閥前后壓力變化大的系統(tǒng)；壓降隨負(fù)荷增加而急劇下降的系統(tǒng)；調(diào)節(jié)閥壓降在小流量時(shí)大、大流量時(shí)小，流量調(diào)節(jié)范圍小且閥可能處小開(kāi)度工作的系統(tǒng)；工藝提資參數(shù)不準(zhǔn)、外界影響大的系統(tǒng)應(yīng)選取對(duì)數(shù)特性的調(diào)節(jié)閥。反之，應(yīng)選取直線特性的調(diào)節(jié)閥[7]。

2.3 Kv值及閥徑計(jì)算

(1)口徑計(jì)算原理。因調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)是在100kPa 壓差、介質(zhì)為常溫水時(shí)測(cè)定的，而在實(shí)際工況條件下，由于壓差、介質(zhì)等條件的不同，不能以實(shí)際流量與閥流量系數(shù)比較，而應(yīng)進(jìn)行Kv值驗(yàn)算。把設(shè)計(jì)工藝參數(shù)代入相應(yīng)的Kv 值計(jì)算公式中，得出Kv值，根據(jù)計(jì)算出的Kv 值與閥特有的Kv 值相比較，從而預(yù)確定閥的口徑。然后通過(guò)進(jìn)一步有關(guān)驗(yàn)算，最終驗(yàn)證所選調(diào)閥是否能滿(mǎn)足工作要求。

(2)閥徑計(jì)算步驟。從工藝介質(zhì)參數(shù)提資到閥徑確定，一般需要考慮以下幾個(gè)因素：①確定使用條件：流體介質(zhì)的名稱(chēng)、屬性、性質(zhì)及基本的物化數(shù)據(jù)；介質(zhì)的工藝參數(shù)；閥門(mén)安裝情況(閥前后管徑、管道布局、系統(tǒng)阻力等)；被控對(duì)象類(lèi)型、特點(diǎn)；調(diào)節(jié)性能要求，如對(duì)流量、調(diào)節(jié)比、穩(wěn)定性等要求。②初選閥型，并決定流量特性及流向。③計(jì)算流量的確定。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行工況、設(shè)計(jì)條件、應(yīng)用需求及介質(zhì)的本性，確定計(jì)算的最大工作流量Qmax 和最小工作流量Qmin。為保證調(diào)節(jié)閥適應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)荷變化，選取調(diào)節(jié)閥口徑時(shí)通常要留有一定的設(shè)計(jì)余量，避免調(diào)節(jié)閥在全開(kāi)位置或極小開(kāi)度下工作，一般設(shè)計(jì)的最大流量應(yīng)比工藝運(yùn)行的最大流量大25%～60%。另一方面，應(yīng)防止設(shè)計(jì)余量過(guò)大，使得閥門(mén)口徑選型過(guò)大，造成投資成本和運(yùn)行能耗增加，調(diào)節(jié)性能變差，縮短閥門(mén)使用年限，增加安全隱患。一般工藝過(guò)程中，Qmin=30%Qnor，Qmax=125%Qnor。④計(jì)算壓差的確定。根據(jù)選定的閥流量特性、系統(tǒng)運(yùn)行工藝條件確定S 值，繼而通過(guò)計(jì)算得出壓差。⑤Kv 值計(jì)算。根據(jù)介質(zhì)的參數(shù)和流動(dòng)狀態(tài)，參照表1 選擇相應(yīng)的Kv 值計(jì)算公式，計(jì)算得出Kvmin、Kvmax 或Kvnor(正常流量Qnor 下的Kv 值)。⑥初步確定調(diào)節(jié)閥口徑。根據(jù)計(jì)算所得的Kvmax 和Kvnor，在調(diào)節(jié)閥系列中，選取大于Kvmax 且與其接近一檔的Kv 值調(diào)閥，初步確定口徑。⑦開(kāi)度驗(yàn)算。⑧可調(diào)比驗(yàn)算：一般要求實(shí)際可調(diào)比應(yīng)不小于10。⑨壓差校核：可采用計(jì)算F 和Ft 來(lái)進(jìn)行校核，也可查表進(jìn)行許用壓力(dg=ds)、許用壓差校核。⑩若上述驗(yàn)算合格，則所選閥門(mén)口徑合適。若不合格，需重新確定口徑(即Kv 值)或另選其它閥型，再驗(yàn)算至合格為止[8]。

通過(guò)上述步驟，即可依次確定調(diào)節(jié)閥的閥型、特性曲線、調(diào)節(jié)Kv 值及閥徑，為設(shè)計(jì)人員選型調(diào)節(jié)閥時(shí)提供可靠的計(jì)算理論依據(jù)和方法途徑。

3 結(jié)論

本文對(duì)調(diào)節(jié)閥的型式及流量特性進(jìn)行了說(shuō)明，對(duì)流量系數(shù)Kv 在不同流體介質(zhì)和不同流動(dòng)狀態(tài)下的計(jì)算方法進(jìn)行了充分論述，并提出了調(diào)節(jié)閥的選型應(yīng)用步驟和計(jì)算校核依據(jù)?？蔀樵O(shè)計(jì)人員在調(diào)節(jié)閥選型過(guò)程中提供充足的理論計(jì)算支持和指導(dǎo)，能有效提高調(diào)節(jié)閥選型的合理性、應(yīng)用的可靠性，降低因調(diào)節(jié)閥選型不當(dāng)造成的經(jīng)濟(jì)損失和運(yùn)行操作故障，提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。