閃蒸工況兩相流調節閥流量系數計算

馮璐，張璐璐

(華陸工程科技有限責任公司，陜西 西安 710065)

閃蒸工況兩相流調節閥流量系數計算

馮璐，張璐璐

(華陸工程科技有限責任公司，陜西 西安 710065)

工業生產過程中，在閃蒸工況下按常規算法選取的調節閥難以滿足精確的流量控制需要。根據安全閥卸放面積和壓縮因子算法并結合現場開車實際工況，提出閃蒸因子的概念與有效密度法結合的方法，并推導出滿足閃蒸工況下氣液兩相流調節閥流量系數的計算方法。結果表明： 采用該計算方法更加貼近實際工藝，完善了兩相流閥門計算的空缺，并為以后相似的計算提供借鑒與參考。

兩相流 閃蒸 流量系數 調節閥

隨著中國工業自動化水平的不斷提高，調節閥作為自動控制系統的終端執行部件，其口徑的合理選定有著重要意義[1]。目前，影響調節閥口徑選定的因素很多，其中最主要的是調節閥流量系數CV的確定。但是，在選定CV的過程中，經常會碰到工藝介質經過閥門轉變為氣液兩相的情況，此時，就不能簡單地套用單相介質流量系數CV的計算方法，而需要在公式中作進一步的優化，使得計算結果更符合工藝的實際情況[2]。

在閃蒸工況下兩相流調節閥CV的計算中，采用傳統方法計算具有一定的局限性。傳統方法并未充分考慮氣液兩相的影響因子，且在兩相流計算時也未考慮所發生的相變對于整個工藝和閥門實際運行的影響。例如： 在煉油工藝操作中時常會遇到氣液兩相流工況，如用常規算法，一方面不能保證調節閥的選擇精度，另一方面還可能影響壓降和背壓系統的操作，甚至在某些工況下會產生危險因素。文中針對以往計算的欠缺，提出了相關的方法供探討,并淺析該算法的合理性和優越性。

1 調節閥氣液兩相流的形成

調節閥本質上是局部阻力可變的節流元件[3]，即當閥門口徑一定時，通過改變閥芯行程可影響流通面積進而達到調節流量的目的。然而，若使閥門入口壓力保持恒定，逐步降低出口壓力值，當壓降增大到某個定值時，流量將達到極限狀態。此時如再降低調節閥出口壓力值，調節閥的流量將不再發生改變，該狀態稱為阻塞流現象。與此同時，對于不可壓縮流體，若閥門縮頸處的壓力值小于飽和蒸汽壓就會發生閃蒸。

由以上分析可知，對于長期處于閃蒸工況下的調節閥，其截留部分常會因閃蒸引起材料的剝離、刮痕，最終導致調節閥失效、閥桿斷裂、泄漏等嚴重后果，沖刷最嚴重的地方一般是在流速的最大值處[4]。因此，對于閃蒸工況下應用的調節閥，選型時除了需要考慮采用硬度較高的材質或涂刷特殊涂層等措施外，還需從源頭上優化閃蒸工況形成的兩相流的閥門口徑計算方法。目前對于氣液兩相工況下的調節閥CV計算尚不成熟，筆者結合閃蒸因子法及ISA推薦的有效比容法，綜合研究探索出一種氣液兩相調節閥CV的計算方法。

2 兩相流調節閥壓縮因子算法

本文利用兩相流安全閥CV計算方法，在推導中引入閃蒸因子，使其與兩相流調節閥CV的計算結合，形成滿足閃蒸條件下兩相流調節閥CV新型計算方法。根據ISO 4126—2013《超壓安全保護裝置》中對兩相流安全閥CV計算方法提出壓縮因子ω算法，其中ω表征了可壓縮介質比容相對于壓力的變化關系[5]：

vm=xvg+(1-x)vl

(1)

(2)

式中：vm——兩相流體的比容;vg——氣相比容；vl——液相比容；x——兩相流的質量含氣率；p——當前狀態的壓力。

由于無法直接求出兩相流的質量含氣率對壓力的變化影響，故通過熱力學能量守恒定律和克拉勞斯-克拉貝隆方程進行代換運算。再利用理想狀態方程當前狀態與初始狀態比容關系，經過積分變換，由積分下限選擇入口條件，積分上限選擇當前條件。由于閃蒸開始時介質為單液相，ω計算方程為[5]

(3)

式中：v0——初始狀態的比容；p0——初始狀態的壓力；vg0——初始狀態的氣相比容;vl0——初始狀態的液相比容;v——當前狀態的比容；Δbv——汽化潛能。

3 壓縮因子ω算法推導膨脹系數

兩相流中含有氣相可壓縮介質，需引入膨脹系數修正，在ISO 4126—2013中第10部分關于ω算法中可壓縮流體膨脹系數ψ公式如下[5]：

(4)

式中：η——壓力比，η=p/p0；v*——比容比，v*=v/v0；β——管線直徑與節流件入口直徑比，β=d/d0且β<1,β4可以近似看成零。

通過式(3)可得：

(5)

(6)

4 采用閃蒸因子計算調節閥CV

中國石油大學張劍可[5]用兩相流含氣率變化量與臨界壓力的關系推導出閃蒸因子表達式，并把閃蒸因子公式引入到膨脹系數表達式中，得到以下公式：

(7)

(8)

(9)

(10)

由于閃蒸工況下調節閥縮頸處發生阻塞流，所以式(10)中實際壓力降為

(11)

式中：FL——壓力恢復系數；pv——飽和蒸汽壓；FF——液體臨界壓力比；pcr——發生阻塞流時的壓力；N——閃蒸因子；a——閃蒸指數，調節閥的閃蒸指數為0.4。

由于調節閥發生閃蒸工況時，閥內介質部分液體氣化，形成平衡狀態的兩相流，筆者以此為突破口和創新點，著重考察在調節閥CV公式中引入兩相流的有效密度對實際結果的影響和數據的修正，即有效密度ρe計算公式：

(12)

式中：qmg——氣體質量流量；qmL——液體質量流量；ρg——氣體密度；ρL——液體密度；ψ——膨脹系數，由于發生阻塞流，所以此處ψ=0.667。

5 閃蒸工況調節閥CV計算

在煉油工藝中時常會遇到氣-液兩相流工況，如用常規算法，一方面不能保證調節閥的選擇精度，另一方面還可能影響壓降和背壓系統的操作，甚至在某些工況下會產生危險因素。本文根據以上推導公式，結合實際工藝流程和儀表選型計算，對調節閥的CV做出全面翔實的計算實例。

則閃蒸因子：

7.7×10-5

壓縮因子：

2.4×10-10

膨脹系數：

0.335

計算有效密度：

將以上各式計算值代入式(10)得：CV=10.24。

該閥門制造商所提供的CV值為11.9，其是按照常規方法分別計算氣相和液相的CV值并簡單相加而得。對比以上二者結果可以看出，在閃蒸工況兩相流下計算調節閥CV時，僅考慮氣液兩相CV值并簡單相加是不嚴謹的核算方法。采用傳統方法所計算出的CV不能滿足精確控制的要求。因此，由于采用了閃蒸因子和有效密度結合計算法，使得本文計算方法考慮更為全面，更加貼近實際工藝，一定程度上降低了危險隱患，提供了更加優良的操作環境。

6 結 論

閃蒸工況下兩相流工況是調節閥計算中最為復雜嚴苛的狀態，如何全面考慮該調節閥的控制水平并使之與整個工藝系統相匹配顯得尤為重要。該調節閥計算方法參照已有公式并結合特有物性，全面考慮閃蒸中所發生的工藝狀態對整個閥門系統的影響，從細節處杜絕了閥門選型的危險隱患，保證了調節閥的選擇精度，降低了對壓降和背壓系統的操作影響。鑒于兩相流調節閥計算理論不同于單相流[6]，在兩相流領域的研究目前還未成熟，根據對以上大量的經驗公式和模型假設的計算和分析，本文結合閃蒸因子法和有效密度法推導并實例驗證了閃蒸工況下兩相流調節閥的CV完整的計算方法，從而對以后相似的閥門設計提供借鑒和參考。

[1] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京： 化學工業出版社，2000： 905.

[2] 唐紫英,趙衍武. 兩相混合流體流量系數KV計算的新方法[J]. 撫順學院學報,1998(02)： 50-53.

[3] 何謙,陳明洪,馬志勇. 阻塞流及其對調節閥流量系數計算的影響[J].大氮肥,2004,27(03)： 190-193.

[4] 劉芳.控制閥閃蒸和空化現象及阻塞流的計算[J].石油化工自動化,2010,46(02)： 64-68.

[5] 張劍可.氣液兩相流調節閥流量系數計算方法研究[D].北京： 中國石油大學，2012.

[6] 胡國煒.氣液兩相流工況下調節閥的選型[J].山東化工,2013,42： 120-124.

Calculation of Flow Coefficient of Two-phase Flow Control Valve in Flashing Evaporation Working Condition

Feng Lu, Zhang Lulu

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd., Xi’an, 710065, China)

s： It is difficult to meet accurate flow control requirement with control valve selected through conventional calculation in flashing evaporation condition in industrial manufacture. According to safety valve discharge area and compressibility factor,as well as combination of site operation actual working condition, one combined method of flashing evaporation factor idea and efficient density is proposed. The calculation method is elicited with meeting control valve coefficient for gas-liquid two-phase flow under flashing evaporation working condition. The results show that data with adopting the calculation method is closer to that of actual process. Vacancy of calculation of two-phase flow control valve is perfected. It offers reference for the later similar calculation.

two-phase flow; flashing evaporation; flow coefficient; control valve

TH814

B

1007-7324(2017)04-0019-03