阻塞流狀態(tài)下的閥門流量試驗(yàn)分析

彭林，胡春艷，王劍，劉建峰，陶國慶

(合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031)

隨著國內(nèi)閥門行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，閥門的種類越發(fā)多樣化、專業(yè)化，以水系統(tǒng)閥門為例，各種輸水工程、水處理裝置、水電站機(jī)組配套裝置上均有成熟的有針對性的閥門產(chǎn)品。閥門不僅僅做為管路上的一個(gè)開關(guān)元件，還同時(shí)具備控制和調(diào)節(jié)的功能，甚至對整個(gè)系統(tǒng)起著關(guān)鍵性作用，比較典型的如調(diào)流閥、減壓閥、最小流量閥等。因此閥門的流量特性便愈發(fā)顯得重要了。目前閥門的流量特性只能通過專門的試驗(yàn)裝置進(jìn)行測試才能獲得，國內(nèi)最常用的測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 30832《閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》。國內(nèi)最大的流量流阻測試裝置的試驗(yàn)?zāi)芰梢赃_(dá)到DN1000。

1 問題提出

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，閥門流量系數(shù)是指5～40℃溫度范圍的水流經(jīng)閥門，兩段壓差為100kPa時(shí)，以m3/h計(jì)的流量數(shù)值。流量流阻試驗(yàn)裝置原理見圖1，系統(tǒng)主要由壓力水源、溫度傳感器、流量計(jì)、壓差傳感器、背壓調(diào)節(jié)閥等組成。壓力水源由變頻泵配旁通管路提供。壓力、流量、溫度等各項(xiàng)參數(shù)由高精度儀表采集傳輸至中控室電腦，再由專門的測試軟件進(jìn)行分析。圖2為正在進(jìn)行流量試驗(yàn)的調(diào)節(jié)閥。

圖1 流量流阻試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖2 正在試驗(yàn)的調(diào)節(jié)閥

上述試驗(yàn)系統(tǒng)中，通過改變泵運(yùn)行頻率和旁通管路開度，調(diào)節(jié)被試閥前的壓力，通過背壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)被試閥后的壓力，從而建立試驗(yàn)工況，由流量計(jì)和傳感器采集被試閥前后壓差、管路流量、溫度等參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出閥門的流量系數(shù)。圖3、圖4分別為DN450水位調(diào)節(jié)閥和DN150中線蝶閥不同開度下的流量系數(shù)實(shí)測曲線。兩臺閥的測試結(jié)果都在正常范圍內(nèi)。

圖3 DN450水位調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)

圖4 DN150中線蝶閥流量系數(shù)

看似簡單的測試過程，卻存在很多干擾因素，其中最容易忽視的即為管路內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)對測試結(jié)果的影響。

首先，要先了解一下阻塞流和非阻塞流。阻塞流的定義是：不可壓縮或可壓縮流體在流過控制閥時(shí)所能達(dá)到的極限或最大流量狀態(tài)。對于不可壓縮的流體（試驗(yàn)介質(zhì)是水），被試閥閥前壓力保持一定，逐步降低閥后壓力，通過閥門的流量會增加，但當(dāng)閥后壓力降低到某一數(shù)值后，通過閥門的流量達(dá)到一個(gè)最大的極限值，此后再降低閥后壓力通過閥門的流量不再增加了，這時(shí)就發(fā)生了阻塞流。進(jìn)一步分析阻塞流的發(fā)生機(jī)理,不可壓縮流體通過節(jié)流元件（如控制閥）時(shí)，流道面積變小，流速增大，由伯努利原理可知，介質(zhì)壓力會降低。最大流速處對應(yīng)最低的壓力，當(dāng)該點(diǎn)的壓力低于介質(zhì)的飽和蒸氣壓時(shí)，液體氣化，在液相中產(chǎn)生氣泡，形成氣液兩相流，這種現(xiàn)象叫做閃蒸。出現(xiàn)閃蒸之后，再繼續(xù)增大閥門前后壓差，流量也不會增大了。

大多數(shù)閥門流量系數(shù)測試過程中，試驗(yàn)介質(zhì)處于非阻塞紊流狀態(tài)，這是比較理想的流動(dòng)狀態(tài)。但當(dāng)壓差進(jìn)一步增大到極限壓差后，便會出現(xiàn)阻塞流。在阻塞流狀態(tài)下，通過傳感器測量的被試閥前后壓差與實(shí)際影響閥門流量的壓差之間存在偏差，若還根據(jù)前者計(jì)算流量系數(shù)，結(jié)果就會不準(zhǔn)確。由于不同閥門對應(yīng)的極限壓差并不相同，而且依據(jù)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測試閥門流量系數(shù)時(shí)并不需要過高的壓力，極少會出現(xiàn)阻塞流的情況，加上在測試過程中，試驗(yàn)人員主要關(guān)注系統(tǒng)的壓力、流量、溫度等參數(shù)的變化，所以容易忽視判斷介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)。

2 解決方法

既然已經(jīng)知道了問題所在，那么解決方法也很明了。

（1）試驗(yàn)過程中盡量避免阻塞流的發(fā)生。

（2）在發(fā)生阻塞流后，以極限壓差代替實(shí)測壓差計(jì)算流量系數(shù)。

而采取上述措施的前提是要計(jì)算出極限壓差。

以DN450水位調(diào)節(jié)閥為例，計(jì)算過程如下：

只要在試驗(yàn)時(shí)控制被試閥前后壓差不超過臨界壓差，試驗(yàn)介質(zhì)為非阻塞紊流狀態(tài)，便可直接計(jì)算閥門的流量系數(shù)。對多級調(diào)節(jié)閥在小開度進(jìn)行流量試驗(yàn)時(shí)，可通過減小泵的運(yùn)行頻率，增大旁通管路開度的方法降低被試閥前壓力；也可以通過減小背壓調(diào)節(jié)閥開度的方法提高被試閥后壓力，從而避免在被試閥前后出現(xiàn)高壓差的情況。若被試閥前后壓差超過臨界壓差，試驗(yàn)介質(zhì)為阻塞紊流狀態(tài)，則在計(jì)算流量系數(shù)時(shí)，將臨界壓差代替測量壓差即可。

3 結(jié)語

多年的實(shí)踐證明，絕大多數(shù)閥門按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行流量系數(shù)測試時(shí)介質(zhì)都是非阻塞紊流狀態(tài)，測量結(jié)果較穩(wěn)定，僅在一些帶附件的調(diào)節(jié)閥的某些開度下，才有可能出現(xiàn)阻塞紊流狀態(tài)，此時(shí)便要注意流量系數(shù)的計(jì)算取值問題。

[1]GB/T 30832-2014，閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法[S].