一種不可壓縮流體控制閥口徑計算公式的應用

鄭 偉，周學軍，洪 毅（中海油研究總院，北京 100027）

1 概述

控制閥又稱調節閥，是組成工業自動化控制系統中的一個重要環節，它被稱之為生產過程自動化的“手足”，正確選擇控制閥是確保系統穩定、正常運行的關鍵。

控制閥選型時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；過熱度和閃蒸、空化產生的可能性；控制閥配管材質和尺寸等。

具體來說，選型原則可以歸納為以下幾點：

（1）根據工藝條件，選擇合適的控制閥結構形式（球閥、角閥、蝶閥等）和材質（鑄鋼、不銹鋼或襯里）；

（2）根據被控對象特點，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）根據工藝參數，計算出合理的閥門口徑；

（4）根據具體情況選擇合適的執行機構（氣動、電動或液動）；

（5）根據工藝過程控制的要求，選擇合適的輔助裝置（密封填料、閥門定位器、手輪等）。

渤海某平臺基本設計項目中，根據工藝要求，共設置控制閥39個，主要應用在測試/生產管匯、加熱爐、分離器、燃料氣罐，儀表氣罐、公用氣罐進出口管線上，通過改變流體流量調節被控對象的壓力、溫度、液位。

2 計算原理及案例

2.1 流量系數

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的確定。流量系數是用于說明規定條件下控制閥流通能力的基本系數，一般指特定流體在特定溫度下，當閥兩端為單位壓差時，單位時間內流經調節閥的體積數。采用不同的單位制時流量系數有不同的表達式，流量系數定義如表1所示。

表1 流量系數的定義

由于該海上平臺上，工藝參數都采用國際單位制，而控制閥產品多采用英制，因此本論文采用國際單位制流量系數KV進行控制閥計算，通過CV進行閥門選型。KV與CV換算關系為：CV=1.156KV。

對于不可壓縮流體，流量系數KV可以用公式（1）表示：

式中，

Q——被測流體體積流量，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計算的基本原理公式。當流體在閥內行程阻塞流（Choked flow）、流體處于非湍流流動狀態或閥兩端與工藝管道間裝有過渡管件時，要對公式（1）作進一步修正。

當流體在閥內形成阻塞流時，控制閥的流量系數KV應該按照公式（2）計算：

其中，

P1——閥進口壓力，bar；

pv——飽和蒸氣壓力，bar；

FL——壓力恢復系數；

FF——液體臨界壓力比系數；

N1——常數，因單位制及流量系數定義而異。

雷諾數Re是一個用來表明流體在管道內流體狀態的無量綱數。對于只有一個流路的調節閥，如我們常用的直通單座閥、球閥等，雷諾數Re可表示為：

其中，V為液體介質的運動粘度；N3為常數，因單位制及流量系數定義而異。

當雷諾數很低，流體已在層流狀態流動，流量是與閥壓降成正比而不是與閥壓降的開方值成正比。因此對于雷諾數偏低的流體在C值計算時必須進行修正：

其中，FR為雷諾數修正系數，可從相關手冊的雷諾數修正系數曲線圖中查得。

2.2 控制閥口徑計算流程

（1）計算數據的確定。需要工藝專業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）、閥門進口壓力、閥門出口壓力、流體粘度、流體溫度、飽和蒸汽壓等數據。拿到上述工藝數據后，儀表工程師要根據實際情況對參數進行相應修正。

（2）阻塞流判別。根據公式（5）判斷流經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）計算最大工作流量工況下的流量系數Kvmax，進而得到Cvmax；反之，為阻塞流，按照公式（2）計算最大工作流量工況下的流量系數Kvmax，進而得到Cvmax。

（3）低雷諾數修正。根據公式（3）求取雷諾數Re，若Re≥3500，不需要進行低雷諾數修改，步驟（2）中計算出的流量系數即為所求； 若Re＜3500，需要進行低雷諾數修正，按照公式（4）對流量系數進行修正。

（4）控制閥口徑的選定。根據已計算出的最大工作流量工況下的流量系數Cvmax，在所選用的控制閥產品型式系列中，選取大于Cvmax并與其接近的一檔額定流量系數C100（即閥全開時的流量系數），從控制閥參數規格表中查得C100對應的閥門口徑。

（5）開度驗算。把正常工作流量（Qnor）、最小工作流量（Qmin）按照上述步驟進行計算，分別求得Cnor、Cmin。根據工程經驗，一般來說，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，則認為控制閥口徑選擇合理。

2.3 控制閥計算案例

下面以渤海某平臺基本設計項目中工藝閥門LV-2013為例，介紹進行控制閥口徑計算的過程。

如圖1所示，液位控制閥LV-2013為氣動直線型單座閥，安裝在一級分離器CEPA-V-2001的油相出口管線上，通過調節出口流量達到控制一級分離器內油相液位的目的。

控制閥LV-2013原始工藝參數見表2。

圖1 一級分離器控制流程示意圖

表2 LV-2013工藝參數

根據本論文提供的控制閥口徑計算步驟進行計算：

（1）計算數據的確定。工藝專業提供的原始數據如表2所示，儀控工程師需要對表中數據進行修正。

最大工作流量（Qmax）的確定：由于控制閥制造時存在一定的誤差，從穩妥考慮，控制閥計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）。根據工程經驗，一般取“穩態最大流量”的1.15～1.5倍作為最大流量（Qmax）取值，本項目中，選取倍數為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 ，FL取0.9，FF取0.93，代入計算得，則有，所以流體狀態為非阻塞流，應按照公式

（1）計算流量系數Kvmax。

（3）低雷諾數修正。根據公式（3）求取雷諾數

故不必作低雷諾數修正。

（4）控制閥口徑的選定。根據已計算出的最大工作流量工況下的流量系數 ，在所選用的控制閥產品型式系列中，選取大于Cvmax并與其接近的一檔額定流量系數C100值396，對應的閥門口徑為6 in。

（5）開度驗算。

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分別為：Cvnor=169.59，Cvmin=65.39。

閥門開度均在合理范圍內，控制閥口徑選擇合理。

2.4 利用InstruCalc軟件驗證

InstruCalc軟件是做儀表閥門工程計算常用軟件，控制閥閥門口徑計算模塊人機交互界面如圖2所示。其中“Input Data”框中內容是要求輸入的原始數據，Case 1、Case 2、Case 3表示最大、正常、最小三種不同工況；“Output Data”框為輸出數據；“Valve Rated Data”為根據計算結果選定的閥型及相關閥門參數。

本項目中進行控制閥口徑計算采用的就是InstruCalc軟件，現利用此軟件對手工計算結果進行驗算。

將表2中的原始數據輸入InstruCalc軟件，從圖2可以看出，利用軟件計算的3種工況下Cv值分別是280.54、169.65、67.608，與本論文手工計算結果基本一致，驗證了本文控制閥口徑手工計算結果的合理性。

圖2 InstruCalc 控制閥口徑計算模塊界面

3 結束語

本論文以渤海某平臺基本設計項目中控制閥計算為案例，討論了一種基于不可壓縮流體的控制閥參數選取以及閥門口徑手工計算方法。閥門計算結果正確與否，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密切配合，從工藝對象的特點、調節要求以及經濟性等方面綜合權衡，以選取合理的參數。

控制閥的計算是非常復雜繁瑣的，要綜合考慮多方面的因素。目前設計院中一般采用專門的軟件進行計算。在今后的工作中，可以將手工計算與軟件計算相結合，兩者互相驗證，提高計算結果的可靠性。

[1] 陸德民, 張振基, 黃步余. 石油化工自動控制設計手冊（第三版）[M]. 化學工業出版社, 2009: 905-975.

[2] 邱宣振, 周晶. 控制閥流量系數的定義演變及換算推導[J]. 石油化工自動化, 2009, (6): 57-58.

[3] ANSI/ISA 75.01.01-2002，Flow Equations for Sizing Control Valves.