基于MATLAB GUI對燃氣調壓閥數值計算方法

袁慶洪，劉可，張燕

（1.西南油氣田分公司 集輸工程技術研究所，成都610042；2.西南油氣田分公司 天然氣研究院，成都610213）

0 引 言

調壓閥屬于工業過程控制范圍內的一種調節閥。對于調壓閥的選型，若流通能力過大，會造成浪費，并由于調壓閥在小開度情況下工作，易于振蕩，調節性能變差；若流通能力過小，則不能滿足流量要求[1]。調壓閥的選型通常有兩種方法：數值計算法和流量表選型法（試驗數據法）。調壓閥的數值計算，因流體形態不同而計算方法不同[2]。通過選擇調壓閥類型、內部元件結構形式、流向等不同參數，然后進行相應計算，最終得到調壓閥的額定Cv值（C100），然后根據額定Cv值去選擇廠家對應的閥門通徑及閥座直徑的調壓閥。

1 調壓閥的主要計算公式和參數

調壓閥的主要計算公式和參數如表1所示，限于篇幅，公式符號的含義，可參見文獻[3]。

2 調壓閥選型的數值計算編程

2.1 數值計算程序邏輯框圖（如圖1）

2.2 程序界面和參數選擇

2.2.1 GUI界面

利用MATLAB GUI可視化編程，將程序界面大體分為5個區域：標題欄、基本參數輸入欄、計算參數欄、閥型數據選擇欄、計算結果和圖像輸出欄。程序界面如圖2所示。

表1 調壓閥的主要計算公式和參數

2.2.2 調壓閥主要特性參數和閥口開度

1）FL、xT和Fp。

FL為壓力恢復系數，是一個固定常數。它與閥的結構、流路形式有關，而與閥口徑大小無關[5]；臨界xT為差壓比，取決于閥的結構，即流路形式；Fp為管件形狀修正系數，與管道直徑D和調壓閥公稱直徑Dg的比值有關。以單座柱塞型調壓閥為例，其上述3個參數列表如表2所示。

圖1 調壓閥的數值計算程序邏輯框圖

2）閥口開度。

閥口開度關系到調壓的穩定。開口過小，容易在調壓閥節流口產生渦旋、氣蝕、振動，甚至嘯叫[6-7]。所以，應根據不同的閥芯特性對閥口開度進行校驗，使流量的變動范圍對應的閥口開度滿足要求。

3 額定流量系數的函數圖像

圖2 燃氣調壓閥的選型計算軟件界面

表2 單座閥的FL、xT和Fp

額定流量系數C100是調壓閥全開時的流量系數，代表調壓閥的流通能力。口徑越大，流量系數越大。閥的類型不同，阻力系數不同，流量系數不同。因此，根據額定流量系數選擇調壓閥口徑時，要特別注意調壓閥的類型[5]。

為便于用函數圖像將額定流量系數表達出來，本文對影響流量系數的部分參數做了一定的假定：1）在一定壓力范圍內，燃氣絕熱系數k和壓縮系數Z均為常量。故此，對于特定結構的調壓閥，流量系數可簡化成一個二元函數；2）調節閥后壓力恒定。

3.1 阻塞流函數圖像

以單座、柱塞、流開型調節閥為例，繪制阻塞流的C圖像。其中，P1=0.1～0.4 MPa，P2=0.003 MPa，阻塞流函數編程如圖3所示。得出圖像如圖4所示。

圖3 阻塞流函數編程

3.2 非阻塞流函數圖像

同樣以單座、柱塞、流開型調節閥為例，繪制非阻塞流的C圖像。其中，P1=0.4～0.8 MPa，P2=0.35 MPa，非阻塞流函數編程如圖5所示。得出圖像如圖6所示。

將Qg恒定，如1000 m3/h，可分別得到C和P1的函數關系圖，如圖7和圖8所示。

4 調壓閥兩種選型法的幾組對比數據

針對國內某燃氣調壓 閥 廠 家RTZ 某型號DN40、DN50、DN65、DN80、DN100、DN150對應的流量數據表和數值計算對應的調壓閥通徑選型作以比對。限于篇幅，本文只列出DN150流量表和數值計算法得出的調壓閥通徑對比，如表3所示。

圖4 阻塞流的流量系數C-Qg-P1圖像

圖5 非阻塞流函數編程

圖6 非阻塞流的流量系數C-Qg-P1圖像

圖7 阻塞流的流量系數C-1000-P1曲線

圖8 非阻塞流的流量系數C-1000-P1曲線

表3 查表選型法和數值計算法數據對照表

5 結論和探討

5.1 結論

1）對于氣體阻塞流或非阻塞流，若出口壓力恒定，隨著入口壓力的增大，流量系數均呈下降趨勢，流量越大，流量系數減小越快。

2）若理論可調比R=30，則最大流量和正常流量比不宜大于1.8，否則流量放大倍數m和最大流量系數Cmax會成為復數，將失去物理意義。

3）除調壓閥結構特性之外，其他參數相同的調壓閥，閥門開度為：快開＜直線＜拋物線＜等百分比。

5.2 探討

按正常流量計算出的調壓閥口徑，計算流量對應調壓閥口徑和試驗流量對應調壓閥口徑可能會相差1～2個規格等級，且流量越大誤差越大。造成這種誤差原因可由額定流量系數C100計算誤差、天然氣壓縮比z和絕熱系數k的取值誤差展開誤差分析和探討。