气动调节阀的工作原理及计算选型

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。

4 结束语

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.

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[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.