調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)幾種計(jì)算方法的比較

薛文斌

(上海一核閥門制造有限公司，上海 200433)

1 概 述

1944年，美國(guó)梅索尼蘭公司(Masoneilan)首先提出了調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的概念，用于量化調(diào)節(jié)閥的流通能力。流量系數(shù)的定義： 閥前后壓差為6.895kPa(1psi)，用室溫水做試驗(yàn)，每分鐘流過(guò)閥的體積(單位為加侖)，即為該閥的流量系數(shù)，用CV表示。若閥全開(kāi)時(shí)，測(cè)量得的CV值稱閥的額定流量系數(shù)(額定CV)，很快該流量系數(shù)的概念被全世界同行采用。調(diào)節(jié)閥的制造商都需測(cè)試和發(fā)布每個(gè)產(chǎn)品的流量系數(shù)，供用戶選用，從此開(kāi)創(chuàng)了量化選用調(diào)節(jié)閥的新時(shí)期。公制流量系數(shù)的定義： 閥前后壓差為0.1MPa(1bar)，用室溫水做試驗(yàn)，每小時(shí)流過(guò)閥的體積(單位為m3)，作為該閥的流量系數(shù)，用KV表示，兩者的換算關(guān)系數(shù)為CV=1.16KV。

為了正確地選擇調(diào)節(jié)閥，必須根據(jù)介質(zhì)、壓力、流量、溫度等工況參數(shù)計(jì)算調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)，并以計(jì)算的流量系數(shù)為基礎(chǔ)，選擇合適的公稱通徑，因此選用每一臺(tái)調(diào)節(jié)閥首先應(yīng)計(jì)算工況的流量系數(shù)KV(或CV)。為此調(diào)節(jié)閥制造商先后提供了各種計(jì)算公式，20世紀(jì)40—50年代美國(guó)推出過(guò)閥前重度法(γ1法)、閥后重度法(γ2法)、平均重度法(γM法)，前蘇聯(lián)推薦過(guò)壓縮系數(shù)法(ε法)，改革開(kāi)放以前國(guó)內(nèi)基本上都使用平均重度法。

1962年，Masoneilan推出了臨界流量系數(shù)計(jì)算法(Cf或FL法)，稍后對(duì)氣體介質(zhì)又推出多項(xiàng)式計(jì)算法(PN法)，同期美國(guó)費(fèi)希爾公司(Fisher)推出了正弦法(Sin法)。改革開(kāi)放后，Masoneilan和Fisher為擴(kuò)大產(chǎn)品銷售，在中國(guó)發(fā)布了很多調(diào)節(jié)閥計(jì)算選型方面的書籍，還發(fā)送流量系數(shù)計(jì)算的光盤，使臨界流量系數(shù)法、多項(xiàng)式法和正弦法三種CV的計(jì)算方法在國(guó)內(nèi)廣泛流傳，替代了過(guò)去的重度法。1998年國(guó)際電工委員會(huì)頒發(fā)了IEC 60534—1998《IndustrialProcessControlValves》標(biāo)準(zhǔn)，推薦了膨脹系數(shù)計(jì)算法(Y法)，2005年國(guó)內(nèi)頒發(fā)了GB/T 17213.2—2005《工業(yè)過(guò)程控制閥 第2-1部分： 流通能力安裝條件下流體流量的計(jì)算公式》， 等同采用了IEC 60534—1998標(biāo)準(zhǔn)， 開(kāi)始采用了膨脹系數(shù)法，稍后GB/T 4213—2008《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》發(fā)布時(shí)，有關(guān)流量系數(shù)的計(jì)算也改用了膨脹系數(shù)法。20世紀(jì)末，Masoneilan和Fisher都改用了膨脹系數(shù)法，那么前述的計(jì)算公式和光盤是否有用，還需看計(jì)算精度對(duì)產(chǎn)品的選型影響是否大。

2 臨界流量系數(shù)法、多項(xiàng)式法和膨脹系數(shù)法常用的計(jì)算公式

膨脹系數(shù)法與另三種計(jì)算法相比，液體介質(zhì)的流量系數(shù)計(jì)算公式是相同的，僅僅使用的符號(hào)不同，因此筆者不作介紹。主要區(qū)別在于可壓縮流體即氣體、蒸汽介質(zhì)的計(jì)算公式，下面以臨界流量系數(shù)法、多項(xiàng)式法、膨脹系數(shù)法三種方法為例進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 臨界流量系數(shù)法

表1 臨界流量系數(shù)法(無(wú)附接管件)常用公式

2.2 多項(xiàng)式法

多項(xiàng)式法常用計(jì)算公式見(jiàn)表2所列。

表2 多項(xiàng)式法(無(wú)附接管件)常用公式

2.3 膨脹系數(shù)法

1) 當(dāng)可壓縮流體為非阻塞流(X

(13)

(14)

(15)

2) 當(dāng)可壓縮流體為阻塞流(X≥FγXT)時(shí)，常用計(jì)算公式如下：

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(17)

(18)

3 不同工況下流量系數(shù)的計(jì)算及誤差分析

下面挑選四種典型的工況條件，同時(shí)用臨界流量系數(shù)法、多項(xiàng)式法和膨脹系數(shù)法三種方法計(jì)算其流量系數(shù)KV，然后分析其誤差。以下四種工況下的臨界流量系數(shù)Cf，XT，蒸汽的Fγ從GB/T 17213.2—2005標(biāo)準(zhǔn)中查得。

3.1 合成氨工況

合成氣為混合氣，主要成分是CO，H2；工況特點(diǎn)： 高壓，低壓差，非阻塞流動(dòng)；閥門結(jié)構(gòu)型式： 柱塞型閥芯角閥，Cf=0.9，XT=0.72；流量為15000 m3/h，閥前壓力為21.4MPa，閥后壓力為20.6MPa，進(jìn)口溫度為45℃，操作密度為117.4kg/m3。調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析見(jiàn)表3所列。

表3 合成氣調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析

3.2 氧氣工況

氧氣為純氣體，工況特點(diǎn)： 高壓差、阻塞流；閥門結(jié)構(gòu)型式： 低噪聲套筒閥，Cf=0.90，XT=0.68；流量為30000m3/h，閥前壓力為6.0MPa，閥后壓力為1.5MPa，進(jìn)口溫度為40℃，操作密度為75.57kg/m3。調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析見(jiàn)表4所列。

表4 氧氣調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析

3.3 水蒸氣工況(一)

介質(zhì)為水蒸氣，工況特點(diǎn)： 高壓，高壓差；閥門結(jié)構(gòu)型式： 帶導(dǎo)閥的套筒閥，Cf=0.90，XT=0.75；流量為75000kg/h，閥前壓力為9.81MPa，閥后壓力為3.5MPa，進(jìn)口溫度為540℃，操作密度為28.25kg/m3。調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析見(jiàn)表5所列。該工況下，3個(gè)公式判斷出兩種流態(tài)。

表5 水蒸氣工況(一)調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析

3.4 水蒸氣工況(二)

介質(zhì)為水蒸氣，工況特點(diǎn)： 低壓蒸汽，低壓差，非阻塞流；閥門結(jié)構(gòu)型式： 柱塞型單座閥，Cf=0.90，XT=0.72；流量為230kg/h，閥前壓力為0.45MPa，閥后壓力為0.4MPa，進(jìn)口溫度為300℃，操作密度為2.066kg/m3。調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析見(jiàn)表6所列。

表6 水蒸氣工況(二)調(diào)節(jié)閥KV的計(jì)算及誤差分析

以上四種工況中有高壓差，低壓差；有混合氣、純氣體、水蒸氣，所以有一定的代表性。從計(jì)算KV的結(jié)果來(lái)看，臨界流量系數(shù)法(Cf法)所得的數(shù)值最小，多項(xiàng)式法(PN法)的計(jì)算值居中，且與Cf法非常接近；與膨脹系數(shù)法(γ法)相比，3.1 節(jié)氣體低壓差時(shí)用Cf法計(jì)算所得的KV值誤差最大，達(dá)-5.56%。3.2～3.4節(jié)計(jì)算值的誤差在±2.4%之內(nèi)。在調(diào)節(jié)閥計(jì)算選型過(guò)程中，根據(jù)介質(zhì)的最大流量計(jì)算出最大流量系數(shù)KVmax，然后還要計(jì)算選用的流量系數(shù)KVe=(1.2～1.5)KVmax，即將KVmax放大1.2～1.5倍后才去選擇閥的口徑。盡管如此，上述的計(jì)算誤差，如最大的-5.56%，反映到KVe上，其絕對(duì)值仍然很小，均不會(huì)影響到閥門口徑的選用；另外上面提到的正弦法與膨脹系數(shù)法相比，其計(jì)算誤差由于很小，因而在3.1～3.4節(jié)都可使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

膨脹系數(shù)法不但計(jì)算精度較高，而且計(jì)算方便。與膨脹系數(shù)法相比，臨界流量系數(shù)法、多項(xiàng)式法和正弦法的計(jì)算誤差都很小，可以同時(shí)使用，不影響調(diào)節(jié)閥口徑的選用。

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