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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