油气管道调节阀计算选型软件设计

1中油国际管道有限公司

2中国石油天然气管道局工程有限公司设计分公司

在调节阀控制系统的设计中，确定调节阀的口径是十分重要的环节。口径选得过小，工艺所要求的最大流量不能通过；口径选得过大，会增加投资，而且使调节阀经常工作在小开度条件下从而造成控制系统不稳定。调节阀口径的确定，实际上是根据工艺条件进行流量系数Cv值的计算，根据计算结果确定调节阀口径，既能保证通过工艺要求的最大流量，而又不留过多的裕量。调节阀流量系数的确定不但与工艺参数有关，还与阀门结构、阀芯类型、几何尺寸等多种因素有关，即使同种口径调节阀，不同厂家其流量系数也是不同的，以往调节阀选型计算是将工艺参数提供给阀门厂家，由厂家计算Cv和阀门口径，然后由设计人员进行流量系数Cv值复算和口径校核，因此在一定程度上受到厂家的制约，并且增加了设计周期，选型结果往往也不准确[1]。

调节阀计算选型软件种类繁多，但这些软件大都是针对某一个厂家的阀门进行计算和选型，因此开发基于多厂家数据融合的调节阀计算选型软件，有利于解决油气管道行业调节阀计算选型长期以来效率低、精度不高、选型结果不准的难题。

1 计算选型基本步骤

从工艺提供参数数据到最后调节阀口径确定，一般需要以下几个步骤：

（1）确定最大和最小流量。根据管道年输量、设备负荷及介质状况，确定最大工作流量Qmax和最小工作流量Qmin。

（2）确定最大压差和最小压差。由调节阀进出口压力值确定，必要时需要考虑设备的压损。

（3）计算调节阀流量系数Cv值。根据已确定的流量、压差及其他有关参数，计算最大工作流量时的Cvmax值。

（4）初步确定调节阀口径。根据已计算的Cvmax值，在所选用的厂家产品系列中，选取大于Cvmax值并与其接近的一档Cv值，确定调节阀口径。

（5）阀芯流速及开度验算。要求流速不超标，开度不能太大，也不能太小。

（6）可调比验算。一般要求实际可调比大于10即可。

（7）上述验算合格，所选阀口径则合格，若不合格，需要重新计算Cv值，并另选阀门，直至验算合格。

2 调节阀计算模型

2.1 气体介质时的调节阀计算模型

根据IEC和ISA标准推荐的公式[2-5]，调节阀Cv值计算公式如下：

式中：Q为气体流量，m3/h（0 ℃，1 atm）；r为气体重度，kg/m3（0 ℃，1 atm）；p1为阀前压力，100 kPa；p2为阀后压力，100 kPa；Δp为压差，100 kPa；FL为压力恢复数（可查表）；t为介质温度，℃。

根据IEC和ISA标准推荐的公式[2-5]，对于气体介质预估噪声SPL计算公式为

式中：D为阀后管直径，mm；h为音响效率（可查表）；l为管道壁厚，mm；slg为气体特性参数（可查表）。

2.2 液体介质时的调节阀计算模型

根据IEC和ISA标准推荐的公式[2-5]，调节阀Cv值计算公式如下：

当流体流动状态为一般流动时，即当Δp＜ΔpC=FL2(p1-pV)时，调节阀Cv值计算公式为

当流体流动状态为阻塞流动时，即当Δp≥ΔpC时，调节阀Cv值计算公式为：

公式（5）中，当Δp＜0.5p1时，

当Δp≥0.5p1时，

式中：pV为饱和蒸汽压，100 kPa（可查表）；pC为临界点压力（可查表）；ΔpC为临界压力，100 kPa。

根据IEC 534第8章，液体介质预估噪声SPL计算公式如下：

如果Δp＜Kc(p1-pV)，预估噪声SPL计算公式为

如果KC(p1-pV)＜Δp＜FL2(p1-pV)，预估噪声SPL计算公式为

如 果Δp＞KC(p1-pV)，p2＞pV，预估噪声SPL计算公式为

式中：KC为初始空化系数（可查表）。

3 软件设计

3.1 功能需求及软件总体设计架构

本软件是专门为油气管道开发的一款计算及选型软件，采用Visual Basic 6.0和SQL计算机技术在Windows 7操作环境下进行开发。软件主要由两大部分组成，分别是气体介质时计算选型和液体介质时计算选型。输入和输出部分采用图表和对话框形式，直观明了，易于用户掌握和分析。根据调节阀计算专家、设计人员及厂家技术人员的建议，开发软件时还兼顾考虑了如下因素：①数学计算模型避免过于复杂，将计算结果准确性与软件可用性相结合；②数据库的建立包含油气管道常用的各种类型阀门参数信息；③选型后可进行流量系数及预估噪声复算，提高准确性；④输入输出能满足多种需要。

软件总体结构框架如图1所示。

图1 软件总体结构框架Fig.1 Overall structural framework of the software

3.2 主要功能模块设计

根据软件总体结构框图，结合实际需要，软件的主要功能模块设计如图2所示。

图2 软件主要功能模块Fig.2 Main function module of the software

3.2.1 主控模块

主控模块主要用于协调各功能模块工作，能够完成调节阀计算项目新建、打开、保存及软件退出操作等功能。

3.2.2 气体介质时计算选型模块

该模块为本软件的核心模块，采用SQL数据库和VB语言，结合气体介质计算模型，计算流量系数(Cv)和预估噪声(SPL)；根据阀门的信息输入进行阀门预选，可自动选定阀门；然后重新载入参数，进行Cv、SPL值复算；再进行开度、流速及可调比核算。

3.2.3 液体介质时计算选型模块

该模块为本软件的核心模块，采用SQL数据库和VB语言，结合液体介质计算模型，计算流量系数(Cv)和预估噪声(SPL)；根据阀门的信息输入进行阀门预选，可自动选定阀门；然后重新载入参数，进行Cv、SPL值复算；再进行开度、流速及可调比核算。

3.2.4 输出模块

经过上述计算过程后，本模块可以输出阀门预选结果，还可以显示选定阀门的阀门特性曲线，最后可以输出计算书。

4 应用实例

以中亚天然气管道工程CS4压气站调节阀FV4601为例[6-9]，采用本软件进行调节阀计算和选型。首先给出该调节阀的工艺参数。

最大流量下工艺参数：天然气通过调节阀在最大工况下流量为62×104m3/h（0 ℃，1 atm）；调节阀前入口压力为10 MPa；调节阀后出口压力为8.2 MPa；介质温度为55.1 ℃；介质密度为0.8 kg/m3；调节阀前管道口径为508 mm；调节阀前后管道壁厚为11 mm。

正常流量下工艺参数：天然气通过调节阀在正常工况下流量为58×104m3/h（0 ℃，1 atm）；调节阀前入口压力为9.81 MPa；调节阀后出口压力为6.0 MPa；介质温度为50 ℃；介质密度为0.8 kg/m3；调节阀前管道口径为508 mm；调节阀前后管道壁厚为11 mm。

最小流量下工艺参数：天然气通过调节阀在最小工况下流量为5×104m3/h（0 ℃，1 atm）；调节阀前入口压力为9.0 MPa；调节阀后出口压力为6.0 MPa；介质温度为16 ℃；介质密度为0.8 kg/m3；调节阀前管道口径为508 mm；调节阀前后管道壁厚为11 mm。

打开计算软件的主控界面选择气体介质的选型计算，当屏幕出现计算界面时，将上述最大、正常、最小流量下的工艺参数输入；单击Cv、SPL计算，可算出各自流量下的流量系数及预估噪声；然后单击选择阀门，可根据算得的Cv值，软件自动选定口径从而确定阀门特性参数；单击重新载入参数，即可将选择的阀门特性参数回填至输入参数中；单击Cv、SPL计算，重新计算Cv、SPL；最后单击开度验算，可计算出开度及可调比。计算结果和软件画面如下：

图3 软件主画面Fig.3 Main interface of the software

图4 调节阀系数Cv和噪声初算Fig.4 Control valve coefficient Cv and noise initial calculation

（1）打开程序主画面，选择气体介质的选型计算（图3）。

（2）输入工艺参数进行调节阀系数Cv、预估噪声SPL初算（图4）。

（3）进行阀门预选，选定阀门后重新载入参数进行复算，然后进行开度验算及可调比运算，最终确定阀门，其阀门预选结果及所选阀门特性参数曲线如图5所示。

（5）如果选择口径合适即可输出计算书，否则应擦除运算结果进行重选。

经过与非厂家计算软件SPI（Intools）及厂家提供的计算书进行比较，非厂家SPI软件计算的Cv、预估SPL值及阀门选型结果：Cvmax=570，Cvnor=371，Cvmin=35；SPL＜85 dB；选定的阀门口径为10 in。

厂家计算的Cv、预估SPL值及阀门选型结果：Cvmax=567，Cvnor=396，Cvmin=35.7；SPL＜85 dB；选定的阀门口径为10 in。

而本软件计算的Cv、预估SPL值及阀门选型结果：Cvmax=565，Cvnor=369，Cvmin=34；SPL1=129 dB，SPL2=125 dB，SPL3=114 dB；选定的阀门口径为10 in。

三种计算结果Cv值基本一致，流通系数出现差异的原因主要在于阀门特性参数的选取上，本软件阀门口径选型结果与SPI计算软件、供货厂家选型结果相同。由于本软件阀门特性参数都采用真实值，其计算结果与SPI软件相比更加贴合实际；同时建立了多种不同厂家的数据，与单一厂家计算软件相比，其应用更加广泛，选型也更加合理。

图5 阀门选型结果和阀门特性曲线Fig.5 Valve selection result and valve characteristic curve

5 结束语

本软件根据IEC和ISA标准推荐的公式建立了气体介质和液体介质两种计算模型，采用VB编程语言、SQL数据库等计算机技术进行软件开发，六年多来，软件运行平稳，操作简单，界面友好。具有很好的用户体验。本软件针对油气管道行业开发，建立了大量的不同类型、不同调节阀厂家的数据库，使得计算选型结果更加贴合实际，在多尺度、多来源、多维数据环境下实现了调节阀计算及选型的集成化和自动化，已成功应用于中亚管道、中缅管道、西二线等多个国家大型重点工程项目，大幅提高了调节阀计算和选型精度，缩短了设计周期，节约了大量人工和设备投资费用，具有很好的经济效益和社会效益。本软件于2013年成功获得国家软件著作权。