氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的工作原理及計(jì)算選型

劉華怡，張其方

(中國天辰工程有限公司 儀表電氣部，天津 300400)

在儀表設(shè)計(jì)和選型工作過程中，一些儀表涉及儀表口徑計(jì)算、材質(zhì)選型等問題，以往主要依靠廠家提供相關(guān)數(shù)據(jù)，會(huì)造成后續(xù)工作的滯后以及過于依賴廠家計(jì)算的現(xiàn)象。本文主要解決調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算選型問題，根據(jù)調(diào)節(jié)閥工作原理，參考KOSO調(diào)節(jié)閥樣本，編制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥計(jì)算選型書，并成功應(yīng)用于工程實(shí)際中。

1 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的工作原理

調(diào)節(jié)閥同孔板一樣，是局部阻力元件。與孔板不同的是，調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積可以由閥芯的移動(dòng)來改變，是可變的節(jié)流元件。因此，可以將調(diào)節(jié)閥模擬成孔板節(jié)流形式。對于不可壓縮流體，根據(jù)伯努利方程，調(diào)節(jié)閥的流量方程式為

CV=1.167KV

式中，v1，v2——節(jié)流前后流體速度；p1，p2——節(jié)流前后流體壓力；A——節(jié)流管件截面積；qVg——體積流量；ε——阻力系數(shù)；g——重力加速度；ρ——流體密度；γF——重度；KV，CV——流量系數(shù)，國內(nèi)一般用KV表示，國際上用CV表示。

調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門兩部分組成，本文以氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥為例，按其執(zhí)機(jī)構(gòu)形式可分為薄膜式調(diào)節(jié)閥、活塞式調(diào)節(jié)閥和長行程調(diào)節(jié)閥；按閥體結(jié)構(gòu)形式可分為單座閥、雙座閥、角閥、三通閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、蝶閥、球閥、快速切斷閥等。

2 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的計(jì)算選型

2.1 初選閥型

閥型選擇重要且復(fù)雜，初選閥型主要包括計(jì)算流量系數(shù)、預(yù)估噪聲等，初步選擇閥體結(jié)構(gòu)型式。若計(jì)算不符合要求，還應(yīng)重新選閥型，并重復(fù)計(jì)算，直至滿足要求。

2.1.1確定工藝條件

調(diào)節(jié)閥的選型首先要確定使用條件，包括介質(zhì)性質(zhì)及主要物化參數(shù)，流量、壓力、溫度等工藝參數(shù)，配管情況(型式、閥前后管徑、系統(tǒng)阻力計(jì)算等)，自控對象類型及特點(diǎn)，調(diào)節(jié)性能要求等，初選閥型的特點(diǎn)及適用場合可參考表1所列內(nèi)容。

表1 初選閥型的特點(diǎn)及適用場合

2.1.2調(diào)節(jié)閥閥型初選

根據(jù)2.1.1條中選定的閥型，確定調(diào)節(jié)閥流向及流量特性，見表2所列，查詢產(chǎn)品說明書或有關(guān)資料，查取所需的管徑、壓力等級等參數(shù)及閥特性參數(shù)，如液體壓力恢復(fù)系數(shù)FL，壓差比系數(shù)XT等。不同廠家對調(diào)節(jié)閥FL，XT的取值略有差別，可參考《調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算指南》[1]和廠家樣本確定的FL和XT取值。

表2 調(diào)節(jié)閥流量特性

注： 1) Δpn為正常流量下的閥兩端壓差；

2) ΔpQun1為閥關(guān)閉時(shí)閥兩端壓差。

2.2 流量系數(shù)計(jì)算

2.2.1計(jì)算公式與判別式

不可壓縮流體(液體)的計(jì)算公式與判別式見表3所列，可壓縮流體(氣體、蒸汽)的計(jì)算公式與判別式見表4所列。當(dāng)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流體雷諾數(shù)Re≤104時(shí)，應(yīng)用雷諾數(shù)修整系數(shù)對流量系數(shù)KV進(jìn)行修正。

表3中p1為閥入口取壓點(diǎn)測得的絕對壓力；p2為閥出口取壓點(diǎn)測得的絕對壓力；Δp為閥入口和出口間的壓差，即(p1-p2)；pV為閥入口溫度飽和蒸汽壓(絕壓)；pC為熱力學(xué)臨界壓力(絕壓)；FF為液體臨界壓力比系數(shù)；FR為雷諾數(shù)系數(shù)；ρL為液體密度；qVL為液體體積流量；qmL為液體質(zhì)量流量。

表4中，X為壓差與入口絕對壓力之比(Δp/p1)；K為比熱比；qVg為體積流量；qmg為質(zhì)量流量；ρN為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度；ρ1為在p1,T1條件下的密度；T1為入口絕對溫度；M為相對分子質(zhì)量；Z為壓縮系數(shù)；Fg為氣體壓力恢復(fù)系數(shù)；f(X,K)為壓差比修正函數(shù)。

表3 不可壓縮流體的計(jì)算公式與判別式

2.2.2計(jì)算參數(shù)確定

1) 計(jì)算流量的確定。計(jì)算流量qV，由工藝根據(jù)裝置生產(chǎn)能力和物料平衡確定。工藝可以給出最大流量qVmax，正常流量qVnor，最小流量qVmin3個(gè)流量值，qVmax和qVnor，都可作為計(jì)算值。

2) 計(jì)算壓差的確定。在KV計(jì)算中，壓差Δp是重要參數(shù)之一，是較難確定的參數(shù)。在調(diào)節(jié)系統(tǒng)確定后，經(jīng)過系統(tǒng)阻力計(jì)算才能得到分配到調(diào)節(jié)閥上的壓差Δp值。如假設(shè)系統(tǒng)總壓降為ΔpS，各部分阻力件如彎頭、手動(dòng)閥、管路等的壓降之和為∑Δpi，則：

調(diào)節(jié)閥壓差Δp與S相關(guān)，進(jìn)而與選擇流量特性、自控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能等問題有關(guān)。因此，工藝管路安排中應(yīng)全面考慮，仔細(xì)計(jì)算Δp的值。

因此，KV的計(jì)算步驟可歸納為以下幾方面：

a) 根據(jù)工藝條件及表3或表4，判別流體工況是阻塞流還是非阻塞流。

b) 選擇合適的公式計(jì)算KV值。

c) 根據(jù)需要對KV值進(jìn)行低雷諾數(shù)修正或管件形狀修正等。本文中一般采用低壓力恢復(fù)特性的閥，如單、雙座閥，套筒閥等，一般都可不作雷諾數(shù)修正和管件形狀修正。

d) 對于非阻塞流工況，一般可不作噪聲預(yù)估；對于阻塞流工況，需作噪聲預(yù)估。噪聲預(yù)估方法參見文獻(xiàn)[2]。

e) 根據(jù)計(jì)算KV值及噪聲估計(jì)值等確定閥型，若需要更改閥型，則在更改閥型后需按上述步驟重新計(jì)算及查取相關(guān)資料。

2.3 調(diào)節(jié)閥口徑選擇

2.3.1調(diào)節(jié)閥可調(diào)比與放大系數(shù)

調(diào)節(jié)閥可調(diào)比R是指調(diào)節(jié)閥能控制的最大流量與最小流量之比，一般R取值為30或50。

調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)m指圓整后選定的KV與計(jì)算KVcal值之比，即m=KV/KVcal。可以根據(jù)計(jì)算條件、流量特性、選擇的工作開度等選取不同的m值，常用流量特性的m計(jì)算值見表5所列。

表5中，(l/L)為相對行程，即開度，是指調(diào)節(jié)閥的某特定行程與額定行程之比。

2.3.2KV值圓整與開度驗(yàn)算

1) 用qVmax進(jìn)行計(jì)算。用qVmax及相應(yīng)的其他參數(shù)計(jì)算KV值，可以根據(jù)計(jì)算值從選定的閥型系列KV值中向上圓整?？紤]到產(chǎn)品值的允許誤差及調(diào)節(jié)閥不能在全開位置工作等因素，圓整后KV值的m值不應(yīng)小于1.5。

表6 開度驗(yàn)算

表7 調(diào)節(jié)閥的相對開度

調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算和選擇步驟可歸納為根據(jù)所選閥型及流量特性進(jìn)行KV值的放大和圓整；根據(jù)需要驗(yàn)算開度或開度范圍、可調(diào)比等；若驗(yàn)算結(jié)果符合要求，則選定口徑，否則重新計(jì)算、驗(yàn)算。應(yīng)注意的是： 調(diào)節(jié)閥的口徑選擇不宜小于所在管道口徑的50%。

3 計(jì)算實(shí)例

在選型過程中，可根據(jù)以上介紹的計(jì)算公式和廠商樣本確定調(diào)節(jié)閥的型號。本文參考KOSO調(diào)節(jié)閥樣本，編制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥計(jì)算選型書，并應(yīng)用于工程實(shí)際中。3個(gè)示例的工藝參數(shù)均來自筆者參與的項(xiàng)目，計(jì)算時(shí)皆選取最大流量進(jìn)行計(jì)算，正常流量時(shí)的計(jì)算方法類似，文中不重復(fù)敘述。

3.1 實(shí)例一

被測介質(zhì)為丙烷，液體，溫度t=20 ℃，入口壓力p1=1.68 MPa，出口壓力p2=1.45 MPa，密度為ρL=528 kg/m3，飽和蒸汽壓為pv=0.93 MPa，臨界壓力pc=4.26 MPa，qVmax=20 m3/h，qVnor=10 m3/h，所在管道管徑為DN40。計(jì)算過程如下：

1) 根據(jù)已知條件可選Globe單座調(diào)節(jié)閥，等百分比流量特性，閥門流向?yàn)镕TO，查詢KOSO樣本，F(xiàn)L=0.9，XT=0.72，取R=30。

2) 判別工況：

Δp=p1-p2=0.23 MPa

3) 計(jì)算CV：

CVmax=1.167KVmax≈11.131

4) 選定口徑：

a)CV值圓整、放大。參考KOSO樣本，圓整CV值為13，閥芯尺寸為DN25，其m=13/11.131≈1.168，查表5可知閥的最大開度大于90%，所以CV值應(yīng)取向上一檔，CV取值為20，閥芯尺寸為DN32，此時(shí)m′=20/11.131≈1.797。

b) 開度驗(yàn)算：

即開度為82.77%滿足要求。

c) 結(jié)論： 因?yàn)榉亲枞鞴r，選用的為單座調(diào)節(jié)閥，故可不作管件形狀修正，即DN32為選定的閥芯尺寸，查表選擇閥體尺寸DN40。

3.2 實(shí)例二

被測介質(zhì)為烴類混合物，氣體，溫度t=40 ℃，p1=1.45 MPa，p2=0.22 MPa，K=1.3，ρL=1.62 kg/m3，Z=1，qVmax=26 610 m3/h，qVnor=11 405 m3/h，M=36.2，所在管道管徑為DN200。計(jì)算過程如下：

1) 根據(jù)已知條件可選平衡籠式單座調(diào)節(jié)閥，等百分比流量特性，閥門流向?yàn)镕TO，查詢KOSO樣本，F(xiàn)L=0.9，XT=0.75，取R=30。

2) 判別工況：

X=Δp/p1=(p1-p2)/p1≈0.862

KXT/1.4=1.3×0.75/1.4≈0.696

故X>KXT/1.4，即為阻塞流。

3) 計(jì)算CV：

f(X,K)=1.47-0.66X/KXT≈0.886 5

CVmax=1.167KVmax≈161.17

4) 選定口徑：

a)CV值圓整、放大。參考KOSO樣本，圓整CV值為190，閥芯尺寸為DN100，其放大系數(shù)為m=190/161.17≈1.179，查表可知閥的最大開度大于90%，所以CV值應(yīng)取向上一檔，CV取值為280，閥芯尺寸為DN120，此時(shí)m′=280/161.17≈1.737。

b) 開度驗(yàn)算：

即開度為83.64%滿足要求。

5) 管件形狀修正。所選閥型為籠式單座閥，其屬于低壓力恢復(fù)特性的閥門，管件形狀修正量不會(huì)影響閥門口徑的選定，故本文不作修正計(jì)算敘述。

6) 噪聲預(yù)估。由于是阻塞流工況、流量較大，故有必要進(jìn)行噪聲預(yù)估，經(jīng)計(jì)算噪音約為116.68 dB。因此，噪音超過85 dB，建議換成低噪音籠式調(diào)節(jié)閥，閥芯尺寸為DN120，閥體尺寸為DN150。經(jīng)驗(yàn)算和廠家核算，所選閥門符合要求。

3.3 實(shí)例三

被測介質(zhì)為低壓蒸汽，溫度t=184 ℃，p1=1.1 MPa，p2=1.08 MPa，ρL=5.6 kg/m3，Z=1，M=18，qVmax=98.4 kg/h，所在管道管徑為DN40。

計(jì)算過程與上述例子類似：

1) 選Globe單座調(diào)節(jié)閥，等百分比流量特性，閥門流向?yàn)镕TO，F(xiàn)L=0.9，XT=0.72，取R=30。

2) 判別工況：

X=Δp/p1=(p1-p2)/p1≈0.018

KXT/1.4=1.3×0.72/1.4≈0.669

故X

3) 計(jì)算CV：

CVmax=1.167KVmax≈3.379

4) 選定口徑：

a)CV值圓整、放大。參考KOSO樣本，圓整CV值為4，閥芯尺寸為DN15，m=4/3.379≈

1.183，查表可知閥的最大開度大于90%，所以CV值應(yīng)取向上一檔，CV取值為8，閥芯尺寸為DN20，此時(shí)m′=8/3.379≈2.368。

b) 開度驗(yàn)算：

即開度為74.65%滿足要求。

c) 結(jié)論：

由于為非阻塞流工況，選用的單座調(diào)節(jié)閥，故可不作管件形狀修正和噪聲預(yù)估，即選定閥芯尺寸為DN20，閥體尺寸為DN25。

4 結(jié)束語

通過對液體、氣體和蒸汽不同介質(zhì)的選型計(jì)算，與廠家最終的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了計(jì)算選型表的正確性和可行性。隨著氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥愈為廣泛的應(yīng)用，進(jìn)行正確、合理的計(jì)算選型，對于提升設(shè)計(jì)質(zhì)量具有非常重要的意義。

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