一種不可壓縮流體控制閥口徑計(jì)算公式的應(yīng)用

鄭 偉，周學(xué)軍，洪 毅（中海油研究總院，北京 100027）

1 概述

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。

2 計(jì)算原理及案例

2.1 流量系數(shù)

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。

2.2 控制閥口徑計(jì)算流程

（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。

2.3 控制閥計(jì)算案例

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。

2.4 利用InstruCalc軟件驗(yàn)證

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

3 結(jié)束語(yǔ)

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。

[1] 陸德民, 張振基, 黃步余. 石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009: 905-975.

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

[3] ANSI/ISA 75.01.01-2002，F(xiàn)low Equations for Sizing Control Valves.