鄭 偉,周學(xué)軍,洪 毅(中海油研究總院,北京 100027)
控制閥又稱調(diào)節(jié)閥,是組成工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),它被稱之為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的“手足”,正確選擇控制閥是確保系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運(yùn)行的關(guān)鍵。
控制閥選型時(shí)要綜合考慮以下因素:流體的類型、腐蝕性和粘性;流體的溫度、進(jìn)出口壓力、比重;最大最小工作流量、正常工作流量及壓差;最大允許噪聲等級(jí);過(guò)熱度和閃蒸、空化產(chǎn)生的可能性;控制閥配管材質(zhì)和尺寸等。
具體來(lái)說(shuō),選型原則可以歸納為以下幾點(diǎn):
(1)根據(jù)工藝條件,選擇合適的控制閥結(jié)構(gòu)形式(球閥、角閥、蝶閥等)和材質(zhì)(鑄鋼、不銹鋼或襯里);
(2)根據(jù)被控對(duì)象特點(diǎn),選擇合理的流量特性(直線、等百分比、快開)及流量特性(流開、流閉);
(3)根據(jù)工藝參數(shù),計(jì)算出合理的閥門口徑;
(4)根據(jù)具體情況選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(氣動(dòng)、電動(dòng)或液動(dòng));
(5)根據(jù)工藝過(guò)程控制的要求,選擇合適的輔助裝置(密封填料、閥門定位器、手輪等)。
渤海某平臺(tái)基本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中,根據(jù)工藝要求,共設(shè)置控制閥39個(gè),主要應(yīng)用在測(cè)試/生產(chǎn)管匯、加熱爐、分離器、燃料氣罐,儀表氣罐、公用氣罐進(jìn)出口管線上,通過(guò)改變流體流量調(diào)節(jié)被控對(duì)象的壓力、溫度、液位。
影響控制閥口徑選定的因素很多,其中最主要的是控制閥流量系數(shù)的確定。流量系數(shù)是用于說(shuō)明規(guī)定條件下控制閥流通能力的基本系數(shù),一般指特定流體在特定溫度下,當(dāng)閥兩端為單位壓差時(shí),單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的體積數(shù)。采用不同的單位制時(shí)流量系數(shù)有不同的表達(dá)式,流量系數(shù)定義如表1所示。

表1 流量系數(shù)的定義
由于該海上平臺(tái)上,工藝參數(shù)都采用國(guó)際單位制,而控制閥產(chǎn)品多采用英制,因此本論文采用國(guó)際單位制流量系數(shù)KV進(jìn)行控制閥計(jì)算,通過(guò)CV進(jìn)行閥門選型。KV與CV換算關(guān)系為:CV=1.156KV。
對(duì)于不可壓縮流體,流量系數(shù)KV可以用公式(1)表示:

式中,
Q——被測(cè)流體體積流量,m3/h;
需要指出的是,公式(1)表示的是不可壓縮流體流量系數(shù)計(jì)算的基本原理公式。當(dāng)流體在閥內(nèi)行程阻塞流(Choked flow)、流體處于非湍流流動(dòng)狀態(tài)或閥兩端與工藝管道間裝有過(guò)渡管件時(shí),要對(duì)公式(1)作進(jìn)一步修正。
當(dāng)流體在閥內(nèi)形成阻塞流時(shí),控制閥的流量系數(shù)KV應(yīng)該按照公式(2)計(jì)算:

其中,
P1——閥進(jìn)口壓力,bar;
pv——飽和蒸氣壓力,bar;
FL——壓力恢復(fù)系數(shù);
FF——液體臨界壓力比系數(shù);
N1——常數(shù),因單位制及流量系數(shù)定義而異。
雷諾數(shù)Re是一個(gè)用來(lái)表明流體在管道內(nèi)流體狀態(tài)的無(wú)量綱數(shù)。對(duì)于只有一個(gè)流路的調(diào)節(jié)閥,如我們常用的直通單座閥、球閥等,雷諾數(shù)Re可表示為:

其中,V為液體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度;N3為常數(shù),因單位制及流量系數(shù)定義而異。
當(dāng)雷諾數(shù)很低,流體已在層流狀態(tài)流動(dòng),流量是與閥壓降成正比而不是與閥壓降的開方值成正比。因此對(duì)于雷諾數(shù)偏低的流體在C值計(jì)算時(shí)必須進(jìn)行修正:

其中,F(xiàn)R為雷諾數(shù)修正系數(shù),可從相關(guān)手冊(cè)的雷諾數(shù)修正系數(shù)曲線圖中查得。
(1)計(jì)算數(shù)據(jù)的確定。需要工藝專業(yè)配合提供控制閥流體最大工作流量(Qmax)、正常工作流量(Qnor)、最小工作流量(Qmin)、閥門進(jìn)口壓力、閥門出口壓力、流體粘度、流體溫度、飽和蒸汽壓等數(shù)據(jù)。拿到上述工藝數(shù)據(jù)后,儀表工程師要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修正。
(2)阻塞流判別。根據(jù)公式(5)判斷流經(jīng)閥門的流體是否為阻塞流。

如果公式(5)成立,則為非阻塞流,按照公式(1)計(jì)算最大工作流量工況下的流量系數(shù)Kvmax,進(jìn)而得到Cvmax;反之,為阻塞流,按照公式(2)計(jì)算最大工作流量工況下的流量系數(shù)Kvmax,進(jìn)而得到Cvmax。
(3)低雷諾數(shù)修正。根據(jù)公式(3)求取雷諾數(shù)Re,若Re≥3500,不需要進(jìn)行低雷諾數(shù)修改,步驟(2)中計(jì)算出的流量系數(shù)即為所求; 若Re<3500,需要進(jìn)行低雷諾數(shù)修正,按照公式(4)對(duì)流量系數(shù)進(jìn)行修正。
(4)控制閥口徑的選定。根據(jù)已計(jì)算出的最大工作流量工況下的流量系數(shù)Cvmax,在所選用的控制閥產(chǎn)品型式系列中,選取大于Cvmax并與其接近的一檔額定流量系數(shù)C100(即閥全開時(shí)的流量系數(shù)),從控制閥參數(shù)規(guī)格表中查得C100對(duì)應(yīng)的閥門口徑。
(5)開度驗(yàn)算。把正常工作流量(Qnor)、最小工作流量(Qmin)按照上述步驟進(jìn)行計(jì)算,分別求得Cnor、Cmin。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),一般來(lái)說(shuō),如果最大工作流量工況下閥開度(Cmax/C100)位于70~90%之間、正常工作流量工況下閥開度(Cnor/C100)位于30%~70%之間、最小工作流量工況下閥開度(Cmin/C100)位于10%~30%之間,則認(rèn)為控制閥口徑選擇合理。
下面以渤海某平臺(tái)基本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中工藝閥門LV-2013為例,介紹進(jìn)行控制閥口徑計(jì)算的過(guò)程。
如圖1所示,液位控制閥LV-2013為氣動(dòng)直線型單座閥,安裝在一級(jí)分離器CEPA-V-2001的油相出口管線上,通過(guò)調(diào)節(jié)出口流量達(dá)到控制一級(jí)分離器內(nèi)油相液位的目的。
控制閥LV-2013原始工藝參數(shù)見表2。

圖1 一級(jí)分離器控制流程示意圖

表2 LV-2013工藝參數(shù)
根據(jù)本論文提供的控制閥口徑計(jì)算步驟進(jìn)行計(jì)算:
(1)計(jì)算數(shù)據(jù)的確定。工藝專業(yè)提供的原始數(shù)據(jù)如表2所示,儀控工程師需要對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
最大工作流量(Qmax)的確定:由于控制閥制造時(shí)存在一定的誤差,從穩(wěn)妥考慮,控制閥計(jì)算中需要用到的最大工作流量(Qmax)必須大于表2中給出的“最大工作流量”(即117.7m3/h)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),一般取“穩(wěn)態(tài)最大流量”的1.15~1.5倍作為最大流量(Qmax)取值,本項(xiàng)目中,選取倍數(shù)為1.3,所以有Qmax=117.7×1.3=153(m3/h)。正常工作流量(Qnor)、最小工作流量(Qmin)可以直接使用表2中取值,即Qnor=90m3/h,Qmin=34.7m3/h。
(2)阻塞流判別。這里 ,F(xiàn)L取0.9,F(xiàn)F取0.93,代入計(jì)算得,則有,所以流體狀態(tài)為非阻塞流,應(yīng)按照公式
(1)計(jì)算流量系數(shù)Kvmax。

(3)低雷諾數(shù)修正。根據(jù)公式(3)求取雷諾數(shù)

故不必作低雷諾數(shù)修正。
(4)控制閥口徑的選定。根據(jù)已計(jì)算出的最大工作流量工況下的流量系數(shù) ,在所選用的控制閥產(chǎn)品型式系列中,選取大于Cvmax并與其接近的一檔額定流量系數(shù)C100值396,對(duì)應(yīng)的閥門口徑為6 in。
(5)開度驗(yàn)算。
利用上述方法,得到正常工作流量工況下、最小工作流量工況下流量系數(shù)分別為:Cvnor=169.59,Cvmin=65.39。
閥門開度均在合理范圍內(nèi),控制閥口徑選擇合理。
InstruCalc軟件是做儀表閥門工程計(jì)算常用軟件,控制閥閥門口徑計(jì)算模塊人機(jī)交互界面如圖2所示。其中“Input Data”框中內(nèi)容是要求輸入的原始數(shù)據(jù),Case 1、Case 2、Case 3表示最大、正常、最小三種不同工況;“Output Data”框?yàn)檩敵鰯?shù)據(jù);“Valve Rated Data”為根據(jù)計(jì)算結(jié)果選定的閥型及相關(guān)閥門參數(shù)。
本項(xiàng)目中進(jìn)行控制閥口徑計(jì)算采用的就是InstruCalc軟件,現(xiàn)利用此軟件對(duì)手工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算。
將表2中的原始數(shù)據(jù)輸入InstruCalc軟件,從圖2可以看出,利用軟件計(jì)算的3種工況下Cv值分別是280.54、169.65、67.608,與本論文手工計(jì)算結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了本文控制閥口徑手工計(jì)算結(jié)果的合理性。

圖2 InstruCalc 控制閥口徑計(jì)算模塊界面
本論文以渤海某平臺(tái)基本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中控制閥計(jì)算為案例,討論了一種基于不可壓縮流體的控制閥參數(shù)選取以及閥門口徑手工計(jì)算方法。閥門計(jì)算結(jié)果正確與否,很大程度上取決于最大工作流量(Qmax)和閥壓降( )的確定。這就需要儀控工程師與工藝專業(yè)密切配合,從工藝對(duì)象的特點(diǎn)、調(diào)節(jié)要求以及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合權(quán)衡,以選取合理的參數(shù)。
控制閥的計(jì)算是非常復(fù)雜繁瑣的,要綜合考慮多方面的因素。目前設(shè)計(jì)院中一般采用專門的軟件進(jìn)行計(jì)算。在今后的工作中,可以將手工計(jì)算與軟件計(jì)算相結(jié)合,兩者互相驗(yàn)證,提高計(jì)算結(jié)果的可靠性。
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