氣動調節閥的工作原理及計算選型

劉華怡，張其方

(中國天辰工程有限公司 儀表電氣部，天津 300400)

在儀表設計和選型工作過程中，一些儀表涉及儀表口徑計算、材質選型等問題，以往主要依靠廠家提供相關數據，會造成后續工作的滯后以及過于依賴廠家計算的現象。本文主要解決調節閥口徑計算選型問題，根據調節閥工作原理，參考KOSO調節閥樣本，編制氣動調節閥計算選型書，并成功應用于工程實際中。

1 氣動調節閥的工作原理

調節閥同孔板一樣，是局部阻力元件。與孔板不同的是，調節閥的節流面積可以由閥芯的移動來改變，是可變的節流元件。因此，可以將調節閥模擬成孔板節流形式。對于不可壓縮流體，根據伯努利方程，調節閥的流量方程式為

CV=1.167KV

式中，v1，v2——節流前后流體速度；p1，p2——節流前后流體壓力；A——節流管件截面積；qVg——體積流量；ε——阻力系數；g——重力加速度；ρ——流體密度；γF——重度；KV，CV——流量系數，國內一般用KV表示，國際上用CV表示。

調節閥由執行機構和閥門兩部分組成，本文以氣動調節閥為例，按其執機構形式可分為薄膜式調節閥、活塞式調節閥和長行程調節閥；按閥體結構形式可分為單座閥、雙座閥、角閥、三通閥、偏心旋轉閥、蝶閥、球閥、快速切斷閥等。

2 氣動調節閥的計算選型

2.1 初選閥型

閥型選擇重要且復雜，初選閥型主要包括計算流量系數、預估噪聲等，初步選擇閥體結構型式。若計算不符合要求，還應重新選閥型，并重復計算，直至滿足要求。

2.1.1確定工藝條件

調節閥的選型首先要確定使用條件，包括介質性質及主要物化參數，流量、壓力、溫度等工藝參數，配管情況(型式、閥前后管徑、系統阻力計算等)，自控對象類型及特點，調節性能要求等，初選閥型的特點及適用場合可參考表1所列內容。

表1 初選閥型的特點及適用場合

2.1.2調節閥閥型初選

根據2.1.1條中選定的閥型，確定調節閥流向及流量特性，見表2所列，查詢產品說明書或有關資料，查取所需的管徑、壓力等級等參數及閥特性參數，如液體壓力恢復系數FL，壓差比系數XT等。不同廠家對調節閥FL，XT的取值略有差別，可參考《調節閥口徑計算指南》[1]和廠家樣本確定的FL和XT取值。

表2 調節閥流量特性

注： 1) Δpn為正常流量下的閥兩端壓差；

2) ΔpQun1為閥關閉時閥兩端壓差。

2.2 流量系數計算

2.2.1計算公式與判別式

不可壓縮流體(液體)的計算公式與判別式見表3所列，可壓縮流體(氣體、蒸汽)的計算公式與判別式見表4所列。當流經調節閥的流體雷諾數Re≤104時，應用雷諾數修整系數對流量系數KV進行修正。

表3中p1為閥入口取壓點測得的絕對壓力；p2為閥出口取壓點測得的絕對壓力；Δp為閥入口和出口間的壓差，即(p1-p2)；pV為閥入口溫度飽和蒸汽壓(絕壓)；pC為熱力學臨界壓力(絕壓)；FF為液體臨界壓力比系數；FR為雷諾數系數；ρL為液體密度；qVL為液體體積流量；qmL為液體質量流量。

表4中，X為壓差與入口絕對壓力之比(Δp/p1)；K為比熱比；qVg為體積流量；qmg為質量流量；ρN為標準狀態密度；ρ1為在p1,T1條件下的密度；T1為入口絕對溫度；M為相對分子質量；Z為壓縮系數；Fg為氣體壓力恢復系數；f(X,K)為壓差比修正函數。

表3 不可壓縮流體的計算公式與判別式

2.2.2計算參數確定

1) 計算流量的確定。計算流量qV，由工藝根據裝置生產能力和物料平衡確定。工藝可以給出最大流量qVmax，正常流量qVnor，最小流量qVmin3個流量值，qVmax和qVnor，都可作為計算值。

2) 計算壓差的確定。在KV計算中，壓差Δp是重要參數之一，是較難確定的參數。在調節系統確定后，經過系統阻力計算才能得到分配到調節閥上的壓差Δp值。如假設系統總壓降為ΔpS，各部分阻力件如彎頭、手動閥、管路等的壓降之和為∑Δpi，則：

調節閥壓差Δp與S相關，進而與選擇流量特性、自控系統的調節性能等問題有關。因此，工藝管路安排中應全面考慮，仔細計算Δp的值。

因此，KV的計算步驟可歸納為以下幾方面：

a) 根據工藝條件及表3或表4，判別流體工況是阻塞流還是非阻塞流。

b) 選擇合適的公式計算KV值。

c) 根據需要對KV值進行低雷諾數修正或管件形狀修正等。本文中一般采用低壓力恢復特性的閥，如單、雙座閥，套筒閥等，一般都可不作雷諾數修正和管件形狀修正。

d) 對于非阻塞流工況，一般可不作噪聲預估；對于阻塞流工況，需作噪聲預估。噪聲預估方法參見文獻[2]。

e) 根據計算KV值及噪聲估計值等確定閥型，若需要更改閥型，則在更改閥型后需按上述步驟重新計算及查取相關資料。

2.3 調節閥口徑選擇

2.3.1調節閥可調比與放大系數

調節閥可調比R是指調節閥能控制的最大流量與最小流量之比，一般R取值為30或50。

調節閥放大系數m指圓整后選定的KV與計算KVcal值之比，即m=KV/KVcal。可以根據計算條件、流量特性、選擇的工作開度等選取不同的m值，常用流量特性的m計算值見表5所列。

表5中，(l/L)為相對行程，即開度，是指調節閥的某特定行程與額定行程之比。

2.3.2KV值圓整與開度驗算

1) 用qVmax進行計算。用qVmax及相應的其他參數計算KV值，可以根據計算值從選定的閥型系列KV值中向上圓整。考慮到產品值的允許誤差及調節閥不能在全開位置工作等因素，圓整后KV值的m值不應小于1.5。

表6 開度驗算

表7 調節閥的相對開度

調節閥口徑計算和選擇步驟可歸納為根據所選閥型及流量特性進行KV值的放大和圓整；根據需要驗算開度或開度范圍、可調比等；若驗算結果符合要求，則選定口徑，否則重新計算、驗算。應注意的是： 調節閥的口徑選擇不宜小于所在管道口徑的50%。

3 計算實例

在選型過程中，可根據以上介紹的計算公式和廠商樣本確定調節閥的型號。本文參考KOSO調節閥樣本，編制氣動調節閥計算選型書，并應用于工程實際中。3個示例的工藝參數均來自筆者參與的項目，計算時皆選取最大流量進行計算，正常流量時的計算方法類似，文中不重復敘述。

3.1 實例一

被測介質為丙烷，液體，溫度t=20 ℃，入口壓力p1=1.68 MPa，出口壓力p2=1.45 MPa，密度為ρL=528 kg/m3，飽和蒸汽壓為pv=0.93 MPa，臨界壓力pc=4.26 MPa，qVmax=20 m3/h，qVnor=10 m3/h，所在管道管徑為DN40。計算過程如下：

1) 根據已知條件可選Globe單座調節閥，等百分比流量特性，閥門流向為FTO，查詢KOSO樣本，FL=0.9，XT=0.72，取R=30。

2) 判別工況：

Δp=p1-p2=0.23 MPa

3) 計算CV：

CVmax=1.167KVmax≈11.131

4) 選定口徑：

a)CV值圓整、放大。參考KOSO樣本，圓整CV值為13，閥芯尺寸為DN25，其m=13/11.131≈1.168，查表5可知閥的最大開度大于90%，所以CV值應取向上一檔，CV取值為20，閥芯尺寸為DN32，此時m′=20/11.131≈1.797。

b) 開度驗算：

即開度為82.77%滿足要求。

c) 結論： 因為非阻塞流工況，選用的為單座調節閥，故可不作管件形狀修正，即DN32為選定的閥芯尺寸，查表選擇閥體尺寸DN40。

3.2 實例二

被測介質為烴類混合物，氣體，溫度t=40 ℃，p1=1.45 MPa，p2=0.22 MPa，K=1.3，ρL=1.62 kg/m3，Z=1，qVmax=26 610 m3/h，qVnor=11 405 m3/h，M=36.2，所在管道管徑為DN200。計算過程如下：

1) 根據已知條件可選平衡籠式單座調節閥，等百分比流量特性，閥門流向為FTO，查詢KOSO樣本，FL=0.9，XT=0.75，取R=30。

2) 判別工況：

X=Δp/p1=(p1-p2)/p1≈0.862

KXT/1.4=1.3×0.75/1.4≈0.696

故X>KXT/1.4，即為阻塞流。

3) 計算CV：

f(X,K)=1.47-0.66X/KXT≈0.886 5

CVmax=1.167KVmax≈161.17

4) 選定口徑：

a)CV值圓整、放大。參考KOSO樣本，圓整CV值為190，閥芯尺寸為DN100，其放大系數為m=190/161.17≈1.179，查表可知閥的最大開度大于90%，所以CV值應取向上一檔，CV取值為280，閥芯尺寸為DN120，此時m′=280/161.17≈1.737。

b) 開度驗算：

即開度為83.64%滿足要求。

5) 管件形狀修正。所選閥型為籠式單座閥，其屬于低壓力恢復特性的閥門，管件形狀修正量不會影響閥門口徑的選定，故本文不作修正計算敘述。

6) 噪聲預估。由于是阻塞流工況、流量較大，故有必要進行噪聲預估，經計算噪音約為116.68 dB。因此，噪音超過85 dB，建議換成低噪音籠式調節閥，閥芯尺寸為DN120，閥體尺寸為DN150。經驗算和廠家核算，所選閥門符合要求。

3.3 實例三

被測介質為低壓蒸汽，溫度t=184 ℃，p1=1.1 MPa，p2=1.08 MPa，ρL=5.6 kg/m3，Z=1，M=18，qVmax=98.4 kg/h，所在管道管徑為DN40。

計算過程與上述例子類似：

1) 選Globe單座調節閥，等百分比流量特性，閥門流向為FTO，FL=0.9，XT=0.72，取R=30。

2) 判別工況：

X=Δp/p1=(p1-p2)/p1≈0.018

KXT/1.4=1.3×0.72/1.4≈0.669

故X

3) 計算CV：

CVmax=1.167KVmax≈3.379

4) 選定口徑：

a)CV值圓整、放大。參考KOSO樣本，圓整CV值為4，閥芯尺寸為DN15，m=4/3.379≈

1.183，查表可知閥的最大開度大于90%，所以CV值應取向上一檔，CV取值為8，閥芯尺寸為DN20，此時m′=8/3.379≈2.368。

b) 開度驗算：

即開度為74.65%滿足要求。

c) 結論：

由于為非阻塞流工況，選用的單座調節閥，故可不作管件形狀修正和噪聲預估，即選定閥芯尺寸為DN20，閥體尺寸為DN25。

4 結束語

通過對液體、氣體和蒸汽不同介質的選型計算，與廠家最終的計算結果進行了對比，驗證了計算選型表的正確性和可行性。隨著氣動調節閥愈為廣泛的應用，進行正確、合理的計算選型，對于提升設計質量具有非常重要的意義。

參考文獻：

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