調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算

徐坤龍

（韶關(guān)冶煉廠 質(zhì)控中心,廣東韶關(guān) 512024）

調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算

徐坤龍

（韶關(guān)冶煉廠 質(zhì)控中心,廣東韶關(guān) 512024）

以韶關(guān)冶煉廠鼓風(fēng)爐頂周邊風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥選擇為例，介紹了調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式及其選擇原則,論述了調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)的計(jì)算方法,根據(jù)計(jì)算的流量系數(shù)得出調(diào)節(jié)閥的閥座通徑和管徑,并對(duì)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度進(jìn)行了校驗(yàn)。

調(diào)節(jié)閥 ；流量系數(shù)；調(diào)節(jié)閥口徑；兩相混合流

2007年,韶關(guān)冶煉廠Ⅱ系統(tǒng)進(jìn)行了300 kt工藝挖潛改造工作。鼓風(fēng)爐車間工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整,投料量和鼓風(fēng)風(fēng)量有了顯著的增加,爐頂料鐘周邊風(fēng)風(fēng)量也隨之增加。因此,必須重新計(jì)算周邊風(fēng)調(diào)節(jié)閥口徑,使得其在可以通過(guò)最大風(fēng)量的前提下,在正常工藝條件時(shí),調(diào)節(jié)閥能打開(kāi)至適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度。影響調(diào)節(jié)閥選定的因素很多,其中最主要的是調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv（Cv）的確定。為了表示調(diào)節(jié)閥的容量,規(guī)定以閥全開(kāi)時(shí)的流量系數(shù)作為其額定流量系數(shù)。調(diào)節(jié)閥種類繁多,口徑計(jì)算方法有多種,分別論述如下。

1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式及其選擇

常用的調(diào)節(jié)閥有座式閥和蝶閥2類,隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式越來(lái)越多,一般包括單座調(diào)節(jié)閥、雙座調(diào)節(jié)閥、套筒閥、角形閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、V型球閥、O型球閥、隔膜調(diào)節(jié)閥、蝶閥等。不同形式的調(diào)節(jié)閥適合的場(chǎng)合也不盡相同,例如單座調(diào)節(jié)閥（VP,JP）泄漏量?。~定Kv值的0.01%）,允許壓差小,適用于一般流體,壓差小、要求泄漏量小的場(chǎng)合;雙座調(diào)節(jié)閥（VN）不平衡力小,允許壓差大,流量系數(shù)大,泄漏量大（額定K值的0.1%）,適用于要求流通能力大、壓差大,對(duì)泄漏量要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合。偏心旋轉(zhuǎn)閥（VZ）體積小,密封性好,泄漏量小,流通能力大,可調(diào)比寬R=100,允許壓差大,適用于要求調(diào)節(jié)范圍寬、流通能力大、穩(wěn)定性好的場(chǎng)合。選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式主要是根據(jù)工藝參數(shù)(溫度、壓力、流量)、介質(zhì)性質(zhì)(粘度、腐蝕性、毒性、雜質(zhì)狀況),以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求(可調(diào)比、噪音、泄漏量）綜合考慮確定。一般情況下,應(yīng)首選普通單、雙座調(diào)節(jié)閥和套筒調(diào)節(jié)閥,因?yàn)榇祟愰y結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,閥芯形狀易于加工,比較經(jīng)濟(jì)。如果此類閥不能滿足工藝的綜合要求,可根據(jù)具體的特殊要求選擇相應(yīng)結(jié)構(gòu)型式的調(diào)節(jié)閥。

2 計(jì)算流量系數(shù)計(jì)算理論分析

2.1 計(jì)算流量系數(shù)需要確定的主要參數(shù)[1]

調(diào)節(jié)閥口徑的選定是否正確,取決于流量、壓差等計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。計(jì)算流量系數(shù)需要確定的主要參數(shù)如下：1)要給出以工藝裝置產(chǎn)量的保證值進(jìn)行物料衡算時(shí)采用的流量值Qn或Wn。2)要有工業(yè)裝置的所謂產(chǎn)量的爭(zhēng)取值,此數(shù)據(jù)不能乘以任何系數(shù)。3)要得到為克服干擾,調(diào)節(jié)閥保證通過(guò)的動(dòng)態(tài)最大流量,即計(jì)算最大流量。計(jì)算最大流量應(yīng)大于穩(wěn)態(tài)最大流量,否則調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能工作。一般可以以穩(wěn)態(tài)最大流量的1.15～1.5倍作為最大計(jì)算流量。當(dāng)無(wú)法獲得或者最大流量接近于正常流量時(shí),要求計(jì)算最大流量應(yīng)不小于正常流量的1.25倍。4)有時(shí)還需要確定最小流量值。最小流量是工業(yè)裝置運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)最小流量,但不是閥門的泄露量。5)調(diào)節(jié)閥作為一個(gè)可變阻力的部件,必須保證閥上有一定的阻力駐P。6)由于調(diào)節(jié)閥裝在管路系統(tǒng)中,其調(diào)節(jié)作用的好壞還直接和閥阻比S100有關(guān)。S100值越大,調(diào)節(jié)閥流量特性的畸變?cè)叫?調(diào)節(jié)閥的性能越能到保障,閥的口徑也較?。坏前殡S閥壓降增大,動(dòng)力消耗也隨之增大。當(dāng)S100＜0.3時(shí),直線流量特性將嚴(yán)重畸變?yōu)榭扉_(kāi)特性,等百分比畸變?yōu)橹本€特性,可調(diào)比已顯著減小。在確定計(jì)算閥壓降和S100時(shí),計(jì)算閥壓降最好是計(jì)算最大流量下的閥壓降。應(yīng)盡量避免閥壓降達(dá)到一定數(shù)值時(shí)產(chǎn)生的空化、氣蝕和發(fā)出的噪音。

2.2 阻塞流及其對(duì)流量系數(shù)計(jì)算的影響

所謂阻塞流是指當(dāng)閥前壓力p1保持一定,而逐步降低閥后壓力p2時(shí),流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量會(huì)增加到一個(gè)最大極限值,達(dá)到最大極限值后,再繼續(xù)降低p2,流量不再增加。此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)稱為阻塞流。顯然,形成阻塞流后,流量與駐P=p1-p2的關(guān)系不再遵循C=的規(guī)律。因此,為了精確求得此時(shí)的C值,只能把開(kāi)始產(chǎn)生阻塞流時(shí)的閥壓降作為計(jì)算閥壓降。對(duì)于可壓縮流體,只要根據(jù)制造廠提供各種調(diào)節(jié)閥的XT值,便可將X大于或等于FKXT作為阻塞流的條件,并把P1-(FKXT)=駐Pcr作為駐P代入計(jì)算C值的公式,可求得阻塞流的正確流量系數(shù)。對(duì)于不可壓縮流體(液體),流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí),其縮流斷面處的壓力Pvc如果小于入口溫度下流體介質(zhì)的飽和蒸氣Pv時(shí),部分液體會(huì)發(fā)生相變,形成氣泡,產(chǎn)生閃蒸,若繼續(xù)降低Pvc,流體便會(huì)形成阻塞流。此時(shí)Pvc用Pvcr表示,Pvcr= FFPv。FF是液體的臨界壓力比系數(shù),它是阻塞流條件下的縮流斷面壓力與閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓力Pv之比,是Pv與液體臨界壓力Pc之比的函數(shù)。可根據(jù)公式FF=0.96-0.28近似確定。為了確定流體狀態(tài),引入一個(gè)壓力恢復(fù)系數(shù)FL2,當(dāng)駐P≥FL2(P1-Pvcr)或者 駐P≥FL2(P1-FFPv)成立,則為產(chǎn)生阻塞流[2]。此時(shí),只要以FL2(P1-FFPv)取代駐P代入公式,便可求得正確的流量系數(shù)值。當(dāng)液體的雷諾數(shù)＜3 500后,流量系數(shù)需要修正。

2.3 Cmax值的求取和調(diào)節(jié)閥口徑的選定

為了正確選定調(diào)節(jié)閥口徑,最關(guān)鍵的是要求得計(jì)算最大流量時(shí)所需的Cmax。只要Cmax確定,根據(jù)已確定調(diào)節(jié)閥,在該系列調(diào)節(jié)閥額定流量系數(shù)中選取一個(gè)不小于并最接近Cmax的值,作為最終選定的流量系數(shù)C100,與此C100相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)閥口徑即為最終選定的調(diào)節(jié)閥口徑。計(jì)算Cmax值有2個(gè)途徑:一是根據(jù)掌握的計(jì)算最大流量時(shí)的計(jì)算數(shù)據(jù)按公式直接求取;另一種是由正常流量條件下的計(jì)算數(shù)據(jù)求取正常流量時(shí)所需的流量系數(shù)Cn,然后綜合計(jì)算最大流量、系統(tǒng)摩擦阻力降等因素,求出Cmax。其中,最大流量時(shí)的閥阻比SQmax是求取Cmax的關(guān)鍵,計(jì)算它的方法與工藝對(duì)象有關(guān)。最大流量時(shí)的閥阻比可根據(jù)式(1)計(jì)算：

式中：n表示計(jì)算最大流量與正常流量之比,Sn是正常流量的閥阻比。

另外,如果調(diào)節(jié)閥裝于風(fēng)機(jī)或離心泵出口,而閥下游有恒壓點(diǎn)的對(duì)象,當(dāng)流量從Qn增大到Qmax時(shí),系統(tǒng)的總壓力降中還要考慮壓頭的損失駐h,則最大流量時(shí)的閥阻比可根據(jù)式(2)計(jì)算：

最大流量時(shí)的閥門流量系數(shù)根據(jù)式(3)計(jì)算。

2.4 相對(duì)行程與可調(diào)比計(jì)算

所謂調(diào)節(jié)閥的行程是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)為改變閥內(nèi)流量從閥全關(guān)位置起至閥全開(kāi)位置的位移,以L表示。把閥全開(kāi)時(shí)的行程稱為額定行程L100。相對(duì)行程便是某特定行程與額定行程之比,以l表示,即,通常稱為調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。對(duì)于線性調(diào)節(jié)閥其開(kāi)度近似等于L=對(duì)于等百分比特性調(diào)節(jié)閥,在理想可調(diào)比為30時(shí),L=1+0.68 lg

從調(diào)節(jié)效果和經(jīng)濟(jì)性出發(fā),正常流量時(shí)的相對(duì)行程應(yīng)有一個(gè)比較理想的范圍,如直線特性調(diào)節(jié)閥的相對(duì)行程在0.6左右,等百分比特性調(diào)節(jié)閥的在0.8左右。然而,同時(shí)滿足工藝過(guò)程的n值和調(diào)節(jié)閥相對(duì)行程的最合適位置是很困難的。由于靜態(tài)最大流量是由工藝裝置的最高產(chǎn)量所決定,因此用改變靜態(tài)最大流量的辦法來(lái)滿足相對(duì)行程的做法不可取。唯一可調(diào)整的是考慮計(jì)算最大流量時(shí)所取的倍數(shù)(1.15～1.5)[3]。除了考慮對(duì)象特性和調(diào)節(jié)規(guī)律等因素外,建議在S100值較高時(shí)取較大的倍數(shù),在S100值較低時(shí)取較小的倍數(shù)；對(duì)于直線特性調(diào)節(jié)閥取較小的倍數(shù),對(duì)于等百分比特性調(diào)節(jié)閥取較大的倍數(shù)。在缺乏必要的計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí),可推薦直線特性調(diào)節(jié)閥取m值為1.63,對(duì)等百分比特性調(diào)節(jié)閥取m值為1.97。在n值和S100已確定的情況下只要m值(m=)選取合適,一般可不必進(jìn)行額定流量時(shí)的相對(duì)行程驗(yàn)算。

調(diào)節(jié)閥在實(shí)際使用中,由于和它串聯(lián)的管道阻力發(fā)生變化,使調(diào)節(jié)閥的閥壓降隨著流量的變化而變化,調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比也隨之發(fā)生改變。此時(shí)的最大流量和最小流量之比稱為工作可調(diào)比,以R表示, R=R0。這說(shuō)明,S100值越小,實(shí)際的工作可調(diào)比越小。因此,為保證一定的可調(diào)比,要適當(dāng)考慮閥壓降的數(shù)值,使S100值不致過(guò)低。

3 調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算與開(kāi)度驗(yàn)證

對(duì)于可壓縮流體,有經(jīng)驗(yàn)估算、平均重度修正和膨脹系數(shù)修正重度法3種方法求取調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)[4]。但是,由于經(jīng)驗(yàn)估算法沒(méi)有考慮調(diào)節(jié)閥本身的特性,簡(jiǎn)單地以調(diào)節(jié)閥前后的差壓與入流處壓力的比值關(guān)系來(lái)判定流體的狀態(tài),因此造成的誤差很大。平均重度法和膨脹系數(shù)修正重度法兩者的計(jì)算精度相似,都考慮了壓力恢復(fù)系數(shù)的影響。不過(guò)膨脹系數(shù)修正重度法還引入其他8個(gè)新的參數(shù),其中物理參數(shù)4個(gè)（K、Pc、Tc、M）,查圖參數(shù)1個(gè)（Z）,計(jì)算參數(shù)3個(gè)（XT、FK、Y）。由于考慮的因素多,精度也更高。但平均重度法的計(jì)算簡(jiǎn)單,不需要太多的物性參數(shù)和物理參數(shù),使用起來(lái)更加方便。以下以韶冶300 kt挖潛技術(shù)改造實(shí)踐為例,采用平均重度法對(duì)周邊風(fēng)調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)、口徑進(jìn)行計(jì)算。

韶冶300 kt挖潛技術(shù)改造中,Ⅱ系統(tǒng)鼓風(fēng)爐的年產(chǎn)量從100 kt/a提高到150 kt/a,主風(fēng)口風(fēng)量從42 km3/h提高到45～46 km3/h,由于主風(fēng)口風(fēng)量提高,為了保證爐內(nèi)氣流速度符合技術(shù)要求,爐身面積由21.35 m2提高到了28 m2。隨著爐身面積的增加,為了保持爐內(nèi)料面形狀,對(duì)加料裝置進(jìn)行了改進(jìn),底鐘直徑由1 345 mm增大到1 830 mm。

由于主風(fēng)口風(fēng)量增加,爐內(nèi)熱風(fēng)流速下降,會(huì)增加爐內(nèi)溫度,因此需增大冷卻面積以加大料鐘。料鐘風(fēng)的主要作用就是冷卻料鐘,在加料時(shí)抑制爐內(nèi)熱風(fēng)外溢。因此,為了保護(hù)料鐘,來(lái)自常溫冷風(fēng)管的風(fēng)量必須增加,已知Qmin=150 m3/h,QN提高到500 m3/h,最大計(jì)算流量提高到580 m3/h,P1的絕對(duì)壓力為220 kPa,P2的絕對(duì)壓力為100 kPa,駐PQmin=60 kPa,駐PQN= 100 kPa,駐PQmin=120 kPa,空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的重度取rN=1.29 kg/m3。根據(jù)工藝要求選取單座球閥。

第1步,查得FL=0.55。第2步,駐PQmin/P1=0.6/2.2= 0.27,0.5FL2=0.5×0.552=0.15。0.27＞0.15，所以流體在最小流量至最大計(jì)算流量時(shí)皆是阻塞流。第3步,采用阻塞流公式計(jì)算Kvmin與Kvmax。

根據(jù)Kvmax=28.72,查上?？频蟽x表有限公司的ZMAP/ZMBP氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥線性特性調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)得DN=50 mm,dg=50 mm,Kv=44。

因調(diào)節(jié)閥采用線性特性調(diào)節(jié)閥,所以采用線性驗(yàn)算公式,驗(yàn)算如下：

由計(jì)算可知,Kmax＜90%,且Kmin＞10%,所以Kv=44驗(yàn)算合格。

選取的調(diào)節(jié)閥的理論可調(diào)比為30,該調(diào)節(jié)閥的閥阻比為0.3,所以實(shí)際可調(diào)比為：

因?yàn)镽實(shí)＞，所以可調(diào)比驗(yàn)算合格。

4 結(jié)論

從工藝描述可知,該調(diào)節(jié)系統(tǒng)處在比較適宜的工作環(huán)境,不存在腐蝕性、高溫、高壓的介質(zhì)。閥門前后的壓差也不大,對(duì)閥門的密封面不會(huì)造嚴(yán)重拉傷,在瞬間開(kāi)關(guān)時(shí),難見(jiàn)堵卡現(xiàn)象。工藝要求調(diào)節(jié)閥能快速反應(yīng),實(shí)際的應(yīng)用中,直線特性的調(diào)節(jié)閥表現(xiàn)出了類似快開(kāi)的特性:在低開(kāi)度時(shí)風(fēng)量增加很快,當(dāng)閥門開(kāi)度達(dá)到70%左右時(shí),開(kāi)度再增加,調(diào)節(jié)閥的輸出風(fēng)量增加不再顯著變化。調(diào)節(jié)閥的這種特性正合適迅速降溫的需求。綜上所述和實(shí)際應(yīng)用的情況,該調(diào)節(jié)閥能實(shí)現(xiàn)工藝的目的。

[1] 陸德明.石油化工自動(dòng)控制手冊(cè)[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[2] 楊紀(jì)偉.調(diào)節(jié)閥流量關(guān)系變形特性分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[3] 付衛(wèi)東,等.調(diào)節(jié)閥流量的計(jì)算方法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[4] 謝云山,劉建領(lǐng),趙鐘榮.調(diào)節(jié)閥的選型設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2008(5):20-23.

Calculation on Caliber of Regulating Valve

XU Kunlong
(Quality Control Center of Shaoguan Smelter,Shaoguan,Guangdong 512024,China)

Taking selection of air quantity regulating valve around blast furnace top as an example,the paper introduces structure type of regulating valve and its selection principle and discusses calculation method of flow factor of regulating valve,meanwhile,DN and pipe size of regulating valve can be obtained based on the calculated flow factor,and aperture of regulating valve should be checked.

regulating valve;flow factor;caliber of regulating valve;two-phase mixed flow

TH134

B

1004-4345(2015)01-0031-04

2014-04-30

徐坤龍(1973—),男,工程師,主要從事現(xiàn)場(chǎng)儀表管理工作。