一种不可压缩流体控制阀口径计算公式的应用

    1 概述
    控制阀又称调节阀，是组成工业自动化控制系统中的一个重要环节，它被称之为生产过程自动化的“手足”，正确选择控制阀是确保系统稳定、正常运行的关键。
    控制阀选型时要综合考虑以下因素：流体的类型、腐蚀性和粘性；流体的温度、进出口压力、比重；最大最小工作流量、正常工作流量及压差；最大允许噪声等级；过热度和闪蒸、空化产生的可能性；控制阀配管材质和尺寸等。
    具体来说，选型原则可以归纳为以下几点：
    （1）根据工艺条件，选择合适的控制阀结构形式（球阀、角阀、蝶阀等）和材质（铸钢、不锈钢或衬里）；
    （2）根据被控对象特点，选择合理的流量特性（直线、等百分比、快开）及流量特性（流开、流闭）；
    （3）根据工艺参数，计算出合理的阀门口径；
    （4）根据具体情况选择合适的执行机构（气动、电动或液动）；
    （5）根据工艺过程控制的要求，选择合适的辅助装置（密封填料、阀门定位器、手轮等）。
    渤海某平台基本设计项目中，根据工艺要求，共设置控制阀39个，主要应用在测试/生产管汇、加热炉、分离器、燃料气罐，仪表气罐、公用气罐进出口管线上，通过改变流体流量调节被控对象的压力、温度、液位。
    2 计算原理及案例
    2.1 流量系数
    影响控制阀口径选定的因素很多，其中最主要的是控制阀流量系数的确定。流量系数是用于说明规定条件下控制阀流通能力的基本系数，一般指特定流体在特定温度下，当阀两端为单位压差时，单位时间内流经调节阀的体积数。采用不同的单位制时流量系数有不同的表达式，流量系数定义如表1所示。

    由于该海上平台上，工艺参数都采用国际单位制，而控制阀产品多采用英制，因此本论文采用国际单位制流量系数KV进行控制阀计算，通过Cv进行阀门选型。Kv与Cv换算关系为：CV=1.156Kv。
    对于不可压缩流体，流量系数KV可以用公式（1）表示：
    式中，
    Q——被测流体体积流量，m3/h；
    ρ——流经阀的流体密度，kg/m3；
    ρw——5℃~40℃水的密度，kg/m3；
    ΔP——阀进出口压差，bar。
    需要指出的是，公式（1）表示的是不可压缩流体流量系数计算的基本原理公式。当流体在阀内行程阻塞流（Choked flow）、流体处于非湍流流动状态或阀两端与工艺管道间装有过渡管件时，要对公式（1）作进一步修正。
    当流体在阀内形成阻塞流时，控制阀的流量系数KV应该按照公式（2）计算：
    其中，
    P1——阀进口压力，bar；
    Pv——饱和蒸气压力，bar；
    FL——压力恢复系数；
    FF——液体临界压力比系数；
    N1——常数，因单位制及流量系数定义而异。
    雷诺数Re是一个用来表明流体在管道内流体状态的无量纲数。对于只有一个流路的调节阀，如我们常用的直通单座阀、球阀等，雷诺数Re可表示为：
    其中，V为液体介质的运动粘度；N3为常数，因单位制及流量系数定义而异。
    当雷诺数很低，流体已在层流状态流动，流量是与阀压降成正比而不是与阀压降的开方值成正比。因此对于雷诺数偏低的流体在C值计算时必须进行修正：
    其中，FR为雷诺数修正系数，可从相关手册的雷诺数修正系数曲线图中查得。
    2.2 控制阀口径计算流程
    （1）计算数据的确定。需要工艺专业配合提供控制阀流体最大工作流量（Qmax）、正常工作流量（Qnor）、最小工作流量（Qmin）、阀门进口压力、阀门出口压力、流体粘度、流体温度、饱和蒸汽压等数据。拿到上述工艺数据后，仪表工程师要根据实际情况对参数进行相应修正。
    （2）阻塞流判别。根据公式（5）判断流经阀门的流体是否为阻塞流。
    如果公式（5）成立，则为非阻塞流，按照公式（1）计算最大工作流量工况下的流量系数Kvmax，进而得到Cvmax；反之，为阻塞流，按照公式（2）计算最大工作流量工况下的流量系数Kvmax，进而得到Cvmax。
    （3）低雷诺数修正。根据公式（3）求取雷诺数Re，若Re≥3500，不需要进行低雷诺数修改，步骤（2）中计算出的流量系数即为所求；若Re＜3500，需要进行低雷诺数修正，按照公式（4）对流量系数进行修正。
    （4）控制阀口径的选定。根据已计算出的最大工作流量工况下的流量系数Cvmax，在所选用的控制阀产品型式系列中，选取大于Cvmax并与其接近的一档额定流量系数C100（即阀全开时的流量系数），从控制阀参数规格表中查得C100对应的阀门口径。
    （5）开度验算。把正常工作流量（Qnor）、最小工作流量（Qmin）按照上述步骤进行计算，分别求得Cnor、Cmin。根据工程经验，一般来说，如果最大工作流量工况下阀开度（Cmax/C100）位于70~90%之间、正常工作流量工况下阀开度（Cnor/C100）位于30%~70%之间、最小工作流量工况下阀开度（Cmin/C100）位于10%~30%之间，则认为控制阀口径选择合理。
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    2.3 控制阀计算案例
    下面以渤海某平台基本设计项目中工艺阀门LV-2013为例，介绍进行控制阀口径计算的过程。
    如图1所示，液位控制阀LV-2013为气动直线型单座阀，安装在一级分离器CEPA-V-2001的油相出口管线上，通过调节出口流量达到控制一级分离器内油相液位的目的。
    控制阀LV-2013原始工艺参数见表2。

    根据本论文提供的控制阀口径计算步骤进行计算：
    （1）计算数据的确定。工艺专业提供的原始数据如表2所示，仪控工程师需要对表中数据进行修正。
    最大工作流量（Qmax）的确定：由于控制阀制造时存在一定的误差，从稳妥考虑，控制阀计算中需要用到的最大工作流量（Qmax）必须大于表2中给出的“最大工作流量”（即117.7m3/h）。根据工程经验，一般取“稳态最大流量”的1.15～1.5倍作为最大流量（Qmax）取值，本项目中，选取倍数为1.3，所以有Q=117.7×1.3=153（m3/h）。正常工作流量（Qnor）、最小工作流量（Qmin）可以直接使用表2中取值，即Qnor=90 m3/h，Qmin=34.7 m3/h。
    阀压降（ΔP）的确定：表2中给出的“管路总压降”是指管路系统中包括调节阀在内的管路总摩擦阻力降。严格来说，要根据管路流体流量、流体粘度、直管段长度、弯头、手动阀、渐缩管等参数进行模拟计算才能得到阀压降（ΔP）值。为简化计算，工程设计中一般推荐采用“管路总压降”的30%～50%作为控制阀阀压降（ΔP）取值，本项目选取50%，因此有阀压降ΔP=0.7|*50|%=0.35（bar）。
    （2）阻塞流判别。这里，ΔP=0.35bar，FL取0.9，FF取0.93，代入计算得F2L（P1-FFPv）=0.92（4-0.93*3）=0.98bar，则有ΔP<F2L（P1-FFPv），所以流体状态为非阻塞流，应按照公式（1）计算流量系数Kvmax。
    （3）低雷诺数修正。根据公式（3）求取雷诺数
    故不必作低雷诺数修正。
    （4）控制阀口径的选定。根据已计算出的最大工作流量工况下的流量系数|Cvmax=1.156 Kvmax=1.156*242.60=280.45，在所选用的控制阀产品型式系列中，选取大于Cvmax并与其接近的一档额定流量系数C100值396，对应的阀门口径为6in。
    （5）开度验算。
    利用上述方法，得到正常工作流量工况下、最小工作流量工况下流量系数分别为：Cvnor=169.59，Cvmin=65.39。
    最大工作流量工况下阀开度：Cvmax/C100 = 280.45/396 = 71%
    正常工作流量工况下阀开度：Cvnor/C100 = 169.59/396 = 43%
    最小工作流量工况下阀开度：Cvmin/C100 = 65.39.45/396 = 17%
    阀门开度均在合理范围内，控制阀口径选择合理。
    2.4 利用InstruCalc软件验证
    InstruCalc软件是做仪表阀门工程计算常用软件，控制阀阀门口径计算模块人机交互界面如图2所示。其中“Input Data”框中内容是要求输入的原始数据，Case1、Case2、Case3表示最大、正常、最小三种不同工况；“Output Data”框为输出数据；“Valve Rated Data”为根据计算结果选定的阀型及相关阀门参数。
    本项目中进行控制阀口径计算采用的就是InstruCalc软件，现利用此软件对手工计算结果进行验算。将表2中的原始数据输入InstruCalc软件，从图2可以看出，利用软件计算的3种工况下Cv值分别是280.54、169.65、67.608，与本论文手工计算结果基本一致，验证了本文控制阀口径手工计算结果的合理性。

    3 结束语
    本论文以渤海某平台基本设计项目中控制阀计算为案例，讨论了一种基于不可压缩流体的控制阀参数选取以及阀门口径手工计算方法。阀门计算结果正确与否，很大程度上取决于最大工作流量（Qmax）和阀压降（ΔP）的确定。这就需要仪控工程师与工艺专业密切配合，从工艺对象的特点、调节要求以及经济性等方面综合权衡，以选取合理的参数。
    控制阀的计算是非常复杂繁琐的，要综合考虑多方面的因素。目前设计院中一般采用专门的软件进行计算。在今后的工作中，可以将手工计算与软件计算相结合，两者互相验证，提高计算结果的可靠性。