縮腔型套筒控制閥額定CV值誤區分析

楊海河

(中國石油化工股份有限公司 濟南分公司, 山東 濟南 250101)

一個簡單的控制系統是由被控對象、測量裝置、調節器和控制閥等環節組成,控制閥是由動力操作裝置形成的終端執行元件,是工業過程控制系統中一個關鍵組成部分。對于具有高溫、高壓、易燃、易爆、劇毒、腐蝕等特性的石油和化工工藝,控制閥的選型或使用不當,會給生產過程自動化帶來困難,導致調節品質下降[1-3]。

控制閥有很多類型,套筒(籠式)控制閥結構如圖1所示,在閥芯外設有一個套筒,套筒上有一個一定流量特性的開孔,閥芯在套筒內移動,通過改變套筒上的開孔截面積調節流量。由于套筒(籠式)控制閥閥芯是壓力平衡型的結構,在較高壓力和壓差下運行平穩,精度又比較高,而且結構簡單,拆裝方便,通用性強,從而被廣泛使用[4-5]。

圖1 套筒(籠式)控制閥結構示意

在控制閥公稱通徑確定的情況下,為了使該口徑控制閥具有更廣泛的調節范圍,往往會使用縮腔型的設計,即閥芯尺寸小于公稱通徑。

閥芯實際尺寸等于或大于公稱通徑的時候,稱之為全腔型,閥芯實際尺寸小于公稱通徑時,稱之為縮腔型,如此相同的閥芯尺寸會對應不同的公稱通徑。例如,當閥芯尺寸為100 mm時,公稱通徑可以對應DN100或DN150,甚至可以對應更多的公稱通徑。

目前,常用縮腔型套筒閥有兩種形式： 一是套筒縮腔型,在同一公稱通徑下,縮腔型和全腔型的閥芯尺寸、行程相同,縮腔型借用全腔型的閥芯、閥座、密封環,只是縮腔型套筒窗口面積(流通面積)小于全腔型窗口面積;二是閥芯縮腔型,這種縮腔型采用了小一檔閥芯尺寸的閥芯、套筒、密封環。閥芯縮腔型設計的優點是縮腔型套筒閥與小一檔的套筒、閥芯和密封環通用;閥芯與密封環的摩擦力、閥芯受到的動不平衡力、閥芯對閥座需要的壓緊力都會減小,套筒和閥座分配的壓降也比較均衡。缺點是縮腔型和全腔型行程可能不同,更換閥內件時需要更改執行機構。

1 套筒控制閥額定CV值

1.1 控制閥的流量系數C

控制閥的流量系數C是控制閥在某些特定的條件下,單位時間內通過流體的體積或質量。控制閥全開時的流量系數稱為額定流量系數,是表示控制閥的流通能力的參數。由于采用單位制的不同,不同流量系數表示為C,CV,KV,其定義如下：

1)C——在給定行程下,閥兩端差壓為98 kPa,每小時流經控制閥的溫度為5～40 ℃的水(m3),工程單位制(MKS)的流量系數。

2)CV——在給定行程下,閥兩端差壓為6.89 kPa,每分鐘流經控制閥的溫度為16 ℃的水(USgal),英制單位的流量系數。

3)KV——在給定行程下,閥兩端差壓為100 kPa,每小時流經控制閥的溫度為5～40 ℃的水(m3),國際單位制(SI)的流量系數,中國推薦使用。

三者之間換算關系為：CV=1.167C,KV=1.01C。

在選型中,為了使控制閥得到良好的調節性能,需要對工況下的流量系數進行計算,將操作工況下的控制閥開度置于最佳的調節范圍之內,結合額定流量系數選擇合適口徑的控制閥[1,6]。

1.2 套筒閥額定CV值數模計算

由于套筒閥經過套筒和閥座處兩次節流,套筒閥的CV值計算如式(1)所示：

(1)

式中：CVb——閥門流道的流通能力,一般按照閥體型腔流道最小尺寸來計算,即閥體流道和閥座內徑按小的來計算;CVc——套筒的流通能力,和套筒的窗口面積有關。

(2)

CVc=AKc

(3)

式中：Kb——各類閥型流通能力系數,不同類型的閥型流通能力系數都不同;Kc——套筒的流通能力系數,普通窗口式套筒、多孔式套筒、不同降壓級數的迷宮式套筒因為流阻不同而Kc不同;A——套筒的流通面積。

2 縮腔型套筒閥的額定CV數模計算分析

2.1 套筒縮腔型

結合常用的某些產品,對比和分析套筒控制閥的流通能力,表1是某縮腔型套筒閥的額定CV值與公稱通徑、閥芯尺寸的對應關系,流量特性是等百分比特性。

表1 某縮腔型套筒閥的額定CV值與公稱通徑、閥芯尺寸的對應關系

按照套筒閥額定CV數模計算式(2)可得：

式中：CVb1——DN100×dn100閥門流道流通能力;CVb2——DN150×dn100和DN150×dn150閥門流道流通能力;Kb1——DN100×dn100閥門流通能力系數;Kb2——DN100×dn100和DN150×dn150閥門流通能力系數。

根據式(1)可以得出：

(4)

從表1可知：DN150×dn100閥門和DN100×dn100閥門的額定CV值是相同的,CV2=CV1=175,DN150×dn150閥門的額定CV值CV3=360,這幾種閥門CVc按照公式(4)計算如下：

(5)

(6)

(7)

式中：CVc1——DN100×dn100閥門套筒流通能力;CVc2——DN150×dn100閥門套筒流通能力;CVc3——DN150×dn150閥門套筒流通能力;Kb3——DN150×dn150閥門的流通能力系數。

假設Kb1=Kb2=Kb3,根據式(5)～式(7)計算結果可知：CVc2

圖2 三種閥套筒窗口大小示意

從上述分析可知,相同額定CV值下,縮腔型套筒的流通能力較小,縮腔型套筒壓力大部分損失在套筒上,壓差較高時,對套筒的沖刷比較嚴重,閥芯尺寸大,閥芯與密封環摩擦力、閥芯對閥座需要的壓緊力也比較大。但套筒縮腔型設計也有優點,如DN150×dn100縮腔型的閥芯、閥桿、閥座、密封環和DN150×dn150全腔型通用,行程相同,從DN150×dn150更換成DN150×dn100,僅需要更換全腔型套筒為縮腔型套筒,執行機構也無需更換,互換性比較好,目前國內套筒控制閥產品很多采用這種設計。

2.2 閥芯縮腔型

表2是某閥芯縮腔型套筒閥的額定CV值與公稱通徑和閥芯尺寸的對應關系。

表2 某閥芯縮腔型套筒閥的額定CV值與公稱通徑和閥芯尺寸的對應關系

由表2可知,DN150×dn100通用了DN100×dn100的閥芯、套筒,因此,縮腔型DN150×dn100和全腔型DN100×dn100的套筒窗口面積、套筒流通能力是相同的,即CVc2=CVc1,由式(3)計算得出：

CVc=A×Kc=278.927 2

由式(2)計算得出：

再根據式(1)計算可得：CV2=244,CV1=208。

根據計算結果可知DN150×dn100縮腔型和DN100×dn100全腔型的CVb是不同的,縮腔型套筒閥DN150×dn100采用與DN100×dn100同尺寸的套筒、閥芯,但CV2的流通能力比CV1大了17%以上。這就是縮腔型套筒閥CV計算、選型存在的誤區。

3 縮腔型套筒閥流通能力的驗證

為了驗證縮腔型套筒閥比同閥芯尺寸的全腔型套筒閥流通能力大較多,某制造商聯合一些大學及檢驗測試機構對DN150×dn100縮腔型套筒閥和DN100×dn100全腔型套筒閥做了CFD流體分析和流量試驗,并與數模理論計算進行對比,結果見表3,表4所列。

表3 DN100×dn100閥芯縮腔型套筒閥的額定CV值比較

表4 DN150×dn100閥芯縮腔型套筒閥的額定CV值比較

表3中DN100×dn100套筒閥流量試驗CV=197.1,CFD流體分析CV=194.9,按照數模理論計算CV=208.2,取額定CV=200,與流量試驗所得的CV值偏差在5%以內,符合GB/T 4213《氣動調節閥》[7]的要求。

DN100×dn100套筒閥流量試驗的流量特性曲線與CFD分析的流量特性曲線、數模理論計算的流量特性曲線對比如圖3所示,從圖3中曲線可以看出,三者也是高度接近,誤差較小。

圖3 DN100×dn100閥芯縮腔型套筒閥的流量特性曲線比較示意

表4中DN150×dn100套筒閥流量試驗CV=236.9,CFD流體分析CV=249.7,按照數模理論計算CV=244.2,取額定CV=245,與流量測試的要求的CV值偏差在5%以內,符合GB/T 4213的要求。

DN150×dn100套筒閥流量試驗的流量特性曲線與CFD分析的流量特性曲線、數模理論計算的流量特性曲線對比如圖4所示,由圖4特性曲線比較可知,三者也是高度接近,誤差較小。

圖4 DN150×dn100閥芯縮腔型套筒閥的流量特性曲線比較示意

取數模理論計算CV值,CFD流體分析CV值,流量試驗CV值的平均值得到額定CV值,DN150×dn100套筒閥的額定CV=245,DN100×dn100套筒閥的額定CV=200,兩者相差了22.5%,驗證了縮腔型套筒閥比同閥芯尺寸的全腔型套筒閥流通能力大較多,也說明縮腔型套筒閥CV計算、選型存在一定的誤區。

4 結束語

根據上述分析可知,閥芯縮腔型套筒閥中采用小一檔的套筒和閥芯,而額定CV值仍與小一檔的同尺寸閥芯的相同,會導致套筒閥產品選型存在一定的誤區。如果按照理論計算選用的縮腔型套筒閥開度比較小,會導致控制閥實際工作在更小或者很小的開度,使控制閥調節性能變差。目前國內外較多閥芯縮腔型套筒閥產品存在該類問題,希望存在該問題的產品完善修改選型樣本,以便指導用戶更好計算選型,確保控制閥獲得更好的相對開度,保證生產過程的控制效果。