气动调节阀的工作原理及计算选型
2018-04-26刘华怡张其方
刘华怡,张其方
(中国天辰工程有限公司 仪表电气部,天津 300400)
在仪表设计和选型工作过程中,一些仪表涉及仪表口径计算、材质选型等问题,以往主要依靠厂家提供相关数据,会造成后续工作的滞后以及过于依赖厂家计算的现象。本文主要解决调节阀口径计算选型问题,根据调节阀工作原理,参考KOSO调节阀样本,编制气动调节阀计算选型书,并成功应用于工程实际中。
1 气动调节阀的工作原理
调节阀同孔板一样,是局部阻力元件。与孔板不同的是,调节阀的节流面积可以由阀芯的移动来改变,是可变的节流元件。因此,可以将调节阀模拟成孔板节流形式。对于不可压缩流体,根据伯努利方程,调节阀的流量方程式为
CV=1.167KV
式中,v1,v2——节流前后流体速度;p1,p2——节流前后流体压力;A——节流管件截面积;qVg——体积流量;ε——阻力系数;g——重力加速度;ρ——流体密度;γF——重度;KV,CV——流量系数,国内一般用KV表示,国际上用CV表示。
调节阀由执行机构和阀门两部分组成,本文以气动调节阀为例,按其执机构形式可分为薄膜式调节阀、活塞式调节阀和长行程调节阀;按阀体结构形式可分为单座阀、双座阀、角阀、三通阀、偏心旋转阀、蝶阀、球阀、快速切断阀等。
2 气动调节阀的计算选型
2.1 初选阀型
阀型选择重要且复杂,初选阀型主要包括计算流量系数、预估噪声等,初步选择阀体结构型式。若计算不符合要求,还应重新选阀型,并重复计算,直至满足要求。
2.1.1确定工艺条件
调节阀的选型首先要确定使用条件,包括介质性质及主要物化参数,流量、压力、温度等工艺参数,配管情况(型式、阀前后管径、系统阻力计算等),自控对象类型及特点,调节性能要求等,初选阀型的特点及适用场合可参考表1所列内容。
表1 初选阀型的特点及适用场合
2.1.2调节阀阀型初选
根据2.1.1条中选定的阀型,确定调节阀流向及流量特性,见表2所列,查询产品说明书或有关资料,查取所需的管径、压力等级等参数及阀特性参数,如液体压力恢复系数FL,压差比系数XT等。不同厂家对调节阀FL,XT的取值略有差别,可参考《调节阀口径计算指南》[1]和厂家样本确定的FL和XT取值。
表2 调节阀流量特性
注: 1) Δpn为正常流量下的阀两端压差;
2) ΔpQun1为阀关闭时阀两端压差。
2.2 流量系数计算
2.2.1计算公式与判别式
不可压缩流体(液体)的计算公式与判别式见表3所列,可压缩流体(气体、蒸汽)的计算公式与判别式见表4所列。当流经调节阀的流体雷诺数Re≤104时,应用雷诺数修整系数对流量系数KV进行修正。
表3中p1为阀入口取压点测得的绝对压力;p2为阀出口取压点测得的绝对压力;Δp为阀入口和出口间的压差,即(p1-p2);pV为阀入口温度饱和蒸汽压(绝压);pC为热力学临界压力(绝压);FF为液体临界压力比系数;FR为雷诺数系数;ρL为液体密度;qVL为液体体积流量;qmL为液体质量流量。
表4中,X为压差与入口绝对压力之比(Δp/p1);K为比热比;qVg为体积流量;qmg为质量流量;ρN为标准状态密度;ρ1为在p1,T1条件下的密度;T1为入口绝对温度;M为相对分子质量;Z为压缩系数;Fg为气体压力恢复系数;f(X,K)为压差比修正函数。
表3 不可压缩流体的计算公式与判别式
2.2.2计算参数确定
1) 计算流量的确定。计算流量qV,由工艺根据装置生产能力和物料平衡确定。工艺可以给出最大流量qVmax,正常流量qVnor,最小流量qVmin3个流量值,qVmax和qVnor,都可作为计算值。
2) 计算压差的确定。在KV计算中,压差Δp是重要参数之一,是较难确定的参数。在调节系统确定后,经过系统阻力计算才能得到分配到调节阀上的压差Δp值。如假设系统总压降为ΔpS,各部分阻力件如弯头、手动阀、管路等的压降之和为∑Δpi,则:
调节阀压差Δp与S相关,进而与选择流量特性、自控系统的调节性能等问题有关。因此,工艺管路安排中应全面考虑,仔细计算Δp的值。
因此,KV的计算步骤可归纳为以下几方面:
a) 根据工艺条件及表3或表4,判别流体工况是阻塞流还是非阻塞流。
b) 选择合适的公式计算KV值。
c) 根据需要对KV值进行低雷诺数修正或管件形状修正等。本文中一般采用低压力恢复特性的阀,如单、双座阀,套筒阀等,一般都可不作雷诺数修正和管件形状修正。
d) 对于非阻塞流工况,一般可不作噪声预估;对于阻塞流工况,需作噪声预估。噪声预估方法参见文献[2]。
e) 根据计算KV值及噪声估计值等确定阀型,若需要更改阀型,则在更改阀型后需按上述步骤重新计算及查取相关资料。
2.3 调节阀口径选择
2.3.1调节阀可调比与放大系数
调节阀可调比R是指调节阀能控制的最大流量与最小流量之比,一般R取值为30或50。
调节阀放大系数m指圆整后选定的KV与计算KVcal值之比,即m=KV/KVcal。可以根据计算条件、流量特性、选择的工作开度等选取不同的m值,常用流量特性的m计算值见表5所列。
表5中,(l/L)为相对行程,即开度,是指调节阀的某特定行程与额定行程之比。
2.3.2KV值圆整与开度验算
1) 用qVmax进行计算。用qVmax及相应的其他参数计算KV值,可以根据计算值从选定的阀型系列KV值中向上圆整。考虑到产品值的允许误差及调节阀不能在全开位置工作等因素,圆整后KV值的m值不应小于1.5。
表6 开度验算
表7 调节阀的相对开度
调节阀口径计算和选择步骤可归纳为根据所选阀型及流量特性进行KV值的放大和圆整;根据需要验算开度或开度范围、可调比等;若验算结果符合要求,则选定口径,否则重新计算、验算。应注意的是: 调节阀的口径选择不宜小于所在管道口径的50%。
3 计算实例
在选型过程中,可根据以上介绍的计算公式和厂商样本确定调节阀的型号。本文参考KOSO调节阀样本,编制气动调节阀计算选型书,并应用于工程实际中。3个示例的工艺参数均来自笔者参与的项目,计算时皆选取最大流量进行计算,正常流量时的计算方法类似,文中不重复叙述。
3.1 实例一
被测介质为丙烷,液体,温度t=20 ℃,入口压力p1=1.68 MPa,出口压力p2=1.45 MPa,密度为ρL=528 kg/m3,饱和蒸汽压为pv=0.93 MPa,临界压力pc=4.26 MPa,qVmax=20 m3/h,qVnor=10 m3/h,所在管道管径为DN40。计算过程如下:
1) 根据已知条件可选Globe单座调节阀,等百分比流量特性,阀门流向为FTO,查询KOSO样本,FL=0.9,XT=0.72,取R=30。
2) 判别工况:
Δp=p1-p2=0.23 MPa
3) 计算CV:
CVmax=1.167KVmax≈11.131
4) 选定口径:
a)CV值圆整、放大。参考KOSO样本,圆整CV值为13,阀芯尺寸为DN25,其m=13/11.131≈1.168,查表5可知阀的最大开度大于90%,所以CV值应取向上一档,CV取值为20,阀芯尺寸为DN32,此时m′=20/11.131≈1.797。
b) 开度验算:
即开度为82.77%满足要求。
c) 结论: 因为非阻塞流工况,选用的为单座调节阀,故可不作管件形状修正,即DN32为选定的阀芯尺寸,查表选择阀体尺寸DN40。
3.2 实例二
被测介质为烃类混合物,气体,温度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,所在管道管径为DN200。计算过程如下:
1) 根据已知条件可选平衡笼式单座调节阀,等百分比流量特性,阀门流向为FTO,查询KOSO样本,FL=0.9,XT=0.75,取R=30。
2) 判别工况:
X=Δp/p1=(p1-p2)/p1≈0.862
KXT/1.4=1.3×0.75/1.4≈0.696
故X>KXT/1.4,即为阻塞流。
3) 计算CV:
f(X,K)=1.47-0.66X/KXT≈0.886 5
CVmax=1.167KVmax≈161.17
4) 选定口径:
a)CV值圆整、放大。参考KOSO样本,圆整CV值为190,阀芯尺寸为DN100,其放大系数为m=190/161.17≈1.179,查表可知阀的最大开度大于90%,所以CV值应取向上一档,CV取值为280,阀芯尺寸为DN120,此时m′=280/161.17≈1.737。
b) 开度验算:
即开度为83.64%满足要求。
5) 管件形状修正。所选阀型为笼式单座阀,其属于低压力恢复特性的阀门,管件形状修正量不会影响阀门口径的选定,故本文不作修正计算叙述。
6) 噪声预估。由于是阻塞流工况、流量较大,故有必要进行噪声预估,经计算噪音约为116.68 dB。因此,噪音超过85 dB,建议换成低噪音笼式调节阀,阀芯尺寸为DN120,阀体尺寸为DN150。经验算和厂家核算,所选阀门符合要求。
3.3 实例三
被测介质为低压蒸汽,温度t=184 ℃,p1=1.1 MPa,p2=1.08 MPa,ρL=5.6 kg/m3,Z=1,M=18,qVmax=98.4 kg/h,所在管道管径为DN40。
计算过程与上述例子类似:
1) 选Globe单座调节阀,等百分比流量特性,阀门流向为FTO,FL=0.9,XT=0.72,取R=30。
2) 判别工况:
X=Δp/p1=(p1-p2)/p1≈0.018
KXT/1.4=1.3×0.72/1.4≈0.669
故X 3) 计算CV: CVmax=1.167KVmax≈3.379 4) 选定口径: a)CV值圆整、放大。参考KOSO样本,圆整CV值为4,阀芯尺寸为DN15,m=4/3.379≈ 1.183,查表可知阀的最大开度大于90%,所以CV值应取向上一档,CV取值为8,阀芯尺寸为DN20,此时m′=8/3.379≈2.368。 b) 开度验算: 即开度为74.65%满足要求。 c) 结论: 由于为非阻塞流工况,选用的单座调节阀,故可不作管件形状修正和噪声预估,即选定阀芯尺寸为DN20,阀体尺寸为DN25。 通过对液体、气体和蒸汽不同介质的选型计算,与厂家最终的计算结果进行了对比,验证了计算选型表的正确性和可行性。随着气动调节阀愈为广泛的应用,进行正确、合理的计算选型,对于提升设计质量具有非常重要的意义。 参考文献: [1] 奚文群. 调节阀口径计算指南[M].兰州: 化学工业部自动控制设计技术中心站,1991: 40-75. [2] 王雪梅,安铁夫,孙建文,等.HG/T 20507-2014自动化仪表选型设计规范[S].北京: 中国计划出版社,2014: 134-139. [3] Weidman W, Barb G, Boger H et al. ANSI/ISA 75.01 Flow Equations for Sizing Control Valves[S].North Carolina: Secretary, Standards and Practices Board, 2002: 14-23. [4] 王森.仪表常用数据手册[M].北京: 化学工业出版社,2006: 72-87. [5] 明赐东.调节阀计算、选型、使用[M].成都: 成都科技大学出版社,1999: 30-60. [6] 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京: 化学工业出版社,2000: 208-223. [7] 明赐东.调节阀应用1000问[M].北京: 化学工业出版社,2006: 31-67. [8] 冯路,张璐璐. 闪蒸工况两相流调节阀流量系数计算[J].石油化工自动化,2017,53(04): 19-21.4 结束语