閃蒸工況兩相流調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計(jì)算

馮璐，張璐璐

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

閃蒸工況兩相流調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計(jì)算

馮璐，張璐璐

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

工業(yè)生產(chǎn)過程中，在閃蒸工況下按常規(guī)算法選取的調(diào)節(jié)閥難以滿足精確的流量控制需要。根據(jù)安全閥卸放面積和壓縮因子算法并結(jié)合現(xiàn)場開車實(shí)際工況，提出閃蒸因子的概念與有效密度法結(jié)合的方法，并推導(dǎo)出滿足閃蒸工況下氣液兩相流調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的計(jì)算方法。結(jié)果表明： 采用該計(jì)算方法更加貼近實(shí)際工藝，完善了兩相流閥門計(jì)算的空缺，并為以后相似的計(jì)算提供借鑒與參考。

兩相流 閃蒸 流量系數(shù) 調(diào)節(jié)閥

隨著中國工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，調(diào)節(jié)閥作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行部件，其口徑的合理選定有著重要意義[1]。目前，影響調(diào)節(jié)閥口徑選定的因素很多，其中最主要的是調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)CV的確定。但是，在選定CV的過程中，經(jīng)常會(huì)碰到工藝介質(zhì)經(jīng)過閥門轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上嗟那闆r，此時(shí)，就不能簡單地套用單相介質(zhì)流量系數(shù)CV的計(jì)算方法，而需要在公式中作進(jìn)一步的優(yōu)化，使得計(jì)算結(jié)果更符合工藝的實(shí)際情況[2]。

在閃蒸工況下兩相流調(diào)節(jié)閥CV的計(jì)算中，采用傳統(tǒng)方法計(jì)算具有一定的局限性。傳統(tǒng)方法并未充分考慮氣液兩相的影響因子，且在兩相流計(jì)算時(shí)也未考慮所發(fā)生的相變對于整個(gè)工藝和閥門實(shí)際運(yùn)行的影響。例如： 在煉油工藝操作中時(shí)常會(huì)遇到氣液兩相流工況，如用常規(guī)算法，一方面不能保證調(diào)節(jié)閥的選擇精度，另一方面還可能影響壓降和背壓系統(tǒng)的操作，甚至在某些工況下會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)因素。文中針對以往計(jì)算的欠缺，提出了相關(guān)的方法供探討,并淺析該算法的合理性和優(yōu)越性。

1 調(diào)節(jié)閥氣液兩相流的形成

調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上是局部阻力可變的節(jié)流元件[3]，即當(dāng)閥門口徑一定時(shí)，通過改變閥芯行程可影響流通面積進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。然而，若使閥門入口壓力保持恒定，逐步降低出口壓力值，當(dāng)壓降增大到某個(gè)定值時(shí)，流量將達(dá)到極限狀態(tài)。此時(shí)如再降低調(diào)節(jié)閥出口壓力值，調(diào)節(jié)閥的流量將不再發(fā)生改變，該狀態(tài)稱為阻塞流現(xiàn)象。與此同時(shí)，對于不可壓縮流體，若閥門縮頸處的壓力值小于飽和蒸汽壓就會(huì)發(fā)生閃蒸。

由以上分析可知，對于長期處于閃蒸工況下的調(diào)節(jié)閥，其截留部分常會(huì)因閃蒸引起材料的剝離、刮痕，最終導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥失效、閥桿斷裂、泄漏等嚴(yán)重后果，沖刷最嚴(yán)重的地方一般是在流速的最大值處[4]。因此，對于閃蒸工況下應(yīng)用的調(diào)節(jié)閥，選型時(shí)除了需要考慮采用硬度較高的材質(zhì)或涂刷特殊涂層等措施外，還需從源頭上優(yōu)化閃蒸工況形成的兩相流的閥門口徑計(jì)算方法。目前對于氣液兩相工況下的調(diào)節(jié)閥CV計(jì)算尚不成熟，筆者結(jié)合閃蒸因子法及ISA推薦的有效比容法，綜合研究探索出一種氣液兩相調(diào)節(jié)閥CV的計(jì)算方法。

2 兩相流調(diào)節(jié)閥壓縮因子算法

本文利用兩相流安全閥CV計(jì)算方法，在推導(dǎo)中引入閃蒸因子，使其與兩相流調(diào)節(jié)閥CV的計(jì)算結(jié)合，形成滿足閃蒸條件下兩相流調(diào)節(jié)閥CV新型計(jì)算方法。根據(jù)ISO 4126—2013《超壓安全保護(hù)裝置》中對兩相流安全閥CV計(jì)算方法提出壓縮因子ω算法，其中ω表征了可壓縮介質(zhì)比容相對于壓力的變化關(guān)系[5]：

vm=xvg+(1-x)vl

(1)

(2)

式中：vm——兩相流體的比容;vg——?dú)庀啾热?；vl——液相比容；x——兩相流的質(zhì)量含氣率；p——當(dāng)前狀態(tài)的壓力。

由于無法直接求出兩相流的質(zhì)量含氣率對壓力的變化影響，故通過熱力學(xué)能量守恒定律和克拉勞斯-克拉貝隆方程進(jìn)行代換運(yùn)算。再利用理想狀態(tài)方程當(dāng)前狀態(tài)與初始狀態(tài)比容關(guān)系，經(jīng)過積分變換，由積分下限選擇入口條件，積分上限選擇當(dāng)前條件。由于閃蒸開始時(shí)介質(zhì)為單液相，ω計(jì)算方程為[5]

(3)

式中：v0——初始狀態(tài)的比容；p0——初始狀態(tài)的壓力；vg0——初始狀態(tài)的氣相比容;vl0——初始狀態(tài)的液相比容;v——當(dāng)前狀態(tài)的比容；Δbv——汽化潛能。

3 壓縮因子ω算法推導(dǎo)膨脹系數(shù)

兩相流中含有氣相可壓縮介質(zhì)，需引入膨脹系數(shù)修正，在ISO 4126—2013中第10部分關(guān)于ω算法中可壓縮流體膨脹系數(shù)ψ公式如下[5]：

(4)

式中：η——壓力比，η=p/p0；v*——比容比，v*=v/v0；β——管線直徑與節(jié)流件入口直徑比，β=d/d0且β<1,β4可以近似看成零。

通過式(3)可得：

(5)

(6)

4 采用閃蒸因子計(jì)算調(diào)節(jié)閥CV

中國石油大學(xué)張劍可[5]用兩相流含氣率變化量與臨界壓力的關(guān)系推導(dǎo)出閃蒸因子表達(dá)式，并把閃蒸因子公式引入到膨脹系數(shù)表達(dá)式中，得到以下公式：

(7)

(8)

(9)

(10)

由于閃蒸工況下調(diào)節(jié)閥縮頸處發(fā)生阻塞流，所以式(10)中實(shí)際壓力降為

(11)

式中：FL——壓力恢復(fù)系數(shù)；pv——飽和蒸汽壓；FF——液體臨界壓力比；pcr——發(fā)生阻塞流時(shí)的壓力；N——閃蒸因子；a——閃蒸指數(shù)，調(diào)節(jié)閥的閃蒸指數(shù)為0.4。

由于調(diào)節(jié)閥發(fā)生閃蒸工況時(shí)，閥內(nèi)介質(zhì)部分液體氣化，形成平衡狀態(tài)的兩相流，筆者以此為突破口和創(chuàng)新點(diǎn)，著重考察在調(diào)節(jié)閥CV公式中引入兩相流的有效密度對實(shí)際結(jié)果的影響和數(shù)據(jù)的修正，即有效密度ρe計(jì)算公式：

(12)

式中：qmg——?dú)怏w質(zhì)量流量；qmL——液體質(zhì)量流量；ρg——?dú)怏w密度；ρL——液體密度；ψ——膨脹系數(shù)，由于發(fā)生阻塞流，所以此處ψ=0.667。

5 閃蒸工況調(diào)節(jié)閥CV計(jì)算

在煉油工藝中時(shí)常會(huì)遇到氣-液兩相流工況，如用常規(guī)算法，一方面不能保證調(diào)節(jié)閥的選擇精度，另一方面還可能影響壓降和背壓系統(tǒng)的操作，甚至在某些工況下會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)因素。本文根據(jù)以上推導(dǎo)公式，結(jié)合實(shí)際工藝流程和儀表選型計(jì)算，對調(diào)節(jié)閥的CV做出全面翔實(shí)的計(jì)算實(shí)例。

則閃蒸因子：

7.7×10-5

壓縮因子：

2.4×10-10

膨脹系數(shù)：

0.335

計(jì)算有效密度：

將以上各式計(jì)算值代入式(10)得：CV=10.24。

該閥門制造商所提供的CV值為11.9，其是按照常規(guī)方法分別計(jì)算氣相和液相的CV值并簡單相加而得。對比以上二者結(jié)果可以看出，在閃蒸工況兩相流下計(jì)算調(diào)節(jié)閥CV時(shí)，僅考慮氣液兩相CV值并簡單相加是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮怂惴椒ā２捎脗鹘y(tǒng)方法所計(jì)算出的CV不能滿足精確控制的要求。因此，由于采用了閃蒸因子和有效密度結(jié)合計(jì)算法，使得本文計(jì)算方法考慮更為全面，更加貼近實(shí)際工藝，一定程度上降低了危險(xiǎn)隱患，提供了更加優(yōu)良的操作環(huán)境。

6 結(jié) 論

閃蒸工況下兩相流工況是調(diào)節(jié)閥計(jì)算中最為復(fù)雜嚴(yán)苛的狀態(tài)，如何全面考慮該調(diào)節(jié)閥的控制水平并使之與整個(gè)工藝系統(tǒng)相匹配顯得尤為重要。該調(diào)節(jié)閥計(jì)算方法參照已有公式并結(jié)合特有物性，全面考慮閃蒸中所發(fā)生的工藝狀態(tài)對整個(gè)閥門系統(tǒng)的影響，從細(xì)節(jié)處杜絕了閥門選型的危險(xiǎn)隱患，保證了調(diào)節(jié)閥的選擇精度，降低了對壓降和背壓系統(tǒng)的操作影響。鑒于兩相流調(diào)節(jié)閥計(jì)算理論不同于單相流[6]，在兩相流領(lǐng)域的研究目前還未成熟，根據(jù)對以上大量的經(jīng)驗(yàn)公式和模型假設(shè)的計(jì)算和分析，本文結(jié)合閃蒸因子法和有效密度法推導(dǎo)并實(shí)例驗(yàn)證了閃蒸工況下兩相流調(diào)節(jié)閥的CV完整的計(jì)算方法，從而對以后相似的閥門設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

[1] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊[M].3版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2000： 905.

[2] 唐紫英,趙衍武. 兩相混合流體流量系數(shù)KV計(jì)算的新方法[J]. 撫順學(xué)院學(xué)報(bào),1998(02)： 50-53.

[3] 何謙,陳明洪,馬志勇. 阻塞流及其對調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計(jì)算的影響[J].大氮肥,2004,27(03)： 190-193.

[4] 劉芳.控制閥閃蒸和空化現(xiàn)象及阻塞流的計(jì)算[J].石油化工自動(dòng)化,2010,46(02)： 64-68.

[5] 張劍可.氣液兩相流調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計(jì)算方法研究[D].北京： 中國石油大學(xué)，2012.

[6] 胡國煒.氣液兩相流工況下調(diào)節(jié)閥的選型[J].山東化工,2013,42： 120-124.

Calculation of Flow Coefficient of Two-phase Flow Control Valve in Flashing Evaporation Working Condition

Feng Lu, Zhang Lulu

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd., Xi’an, 710065, China)

s： It is difficult to meet accurate flow control requirement with control valve selected through conventional calculation in flashing evaporation condition in industrial manufacture. According to safety valve discharge area and compressibility factor,as well as combination of site operation actual working condition, one combined method of flashing evaporation factor idea and efficient density is proposed. The calculation method is elicited with meeting control valve coefficient for gas-liquid two-phase flow under flashing evaporation working condition. The results show that data with adopting the calculation method is closer to that of actual process. Vacancy of calculation of two-phase flow control valve is perfected. It offers reference for the later similar calculation.

two-phase flow; flashing evaporation; flow coefficient; control valve

TH814

B

1007-7324(2017)04-0019-03