调节阀流量系数计算及其选型分析

刘辉 司志娟(航天环境工程有限公司，天津 300457)

0 引言

调节阀是用于控制调节介质流体流量和压力，实现流体自动化控制、保障系统运行稳定平衡的关键设备[1]。然而在调节阀的实际选型过程中，设计人员往往对调节阀的结构和流量特性不熟悉，且不能掌握流量特性系数的计算方法，致使在调节阀的提资选型过程中，无法正确选择合理流量特性和系数的调节阀，从而影响系统的正常运行和平衡操作。更有甚者需更换调节阀，造成经济成本的增加和系统运行的不稳定性。针对上述清形，本文结合调节阀的流量特性，探讨性提出了流量系数较为精确的计算方法。通过计算所得的流量系数，结合调节阀适用的不同介质参数和工况条件要求，可进一步对调节阀的阀型、流量特性及阀径等关键数据做出合理判定，分析选型得出合适的调节阀，为设计人员调节阀的正确选型提供参考依据，减少不必要的麻烦。

1 调节阀流量系数的计算方法

1.1 调节阀流量特性的定义

调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对开度的关系，以适应不同的系统特性要求，流量特性反映了调节阀的调节品质。调节阀的理想流量特性可归结为直线流量特性、对数(等百分比)流量特性、抛物线流量特性和快开流量特性，调节阀对应的流量特性不同，决定了调节阀使用的介质和工况条件的差异，同时增加了设计人员计算和选型时的复杂性和困难程度。

1.2 流量系数Kv

流量系数是调节阀重要的工艺参数和技术指标，合理计算和应用Kv 值是调节阀正确选型和保证系统正常运行的关键步骤，Kv 值的定义为：当调节阀全开，阀两端压差ΔP 为100kPa，流体重度r 为lgf/cm3(即常温水：5～40℃)时，每小时流经调节阀的流量数，以m3/h 或t/h 计。流量系数表示通过流量的能力，同口径Kv 值越大越好。国外，流量系数常以Cv 表示，两者的换算关系为：Cv=1.167Kv[3]。

1.3 Kv值的计算方法

对于不可压缩流体，Kv 值的传统理论计算公式：

对于可压缩流体，其理论计算公式：

因调节阀的结构不同，压力的恢复情况不同，使得阀门的工作曲线与理论压力曲线存在偏离。因此，引入一个表示阀压力恢复程度的系数FL(压力恢复系数)对理论公式进行修正，其表达式为：

式中：ΔPvc、ΔPc 为产生闪蒸时的缩流处压差和阀前后压差。

FL=1，P2与P1无关，压力恢复无；FL＜1，P2接近于P1，压力恢复程度高；FL越少，压力恢复越大，一般取FL=0.5～0.98；通过对理论Kv 值计算公式的修正，针对不同的流体和流动状态，整理得出如下计算方法：

表1 不同流体和流动状态下Kv值的计算方法

计算公式中的代号及单位说明：Q：液体流量，m3/h；QN：标况下气体流量，Nm3/h；GS：蒸气重量流量，kgf/h；r：液体密度，g/cm3；rN：标况下气体重度，kg/Nm3；t：摄氏温度，℃；tsh：过热温度，℃；P1：阀前压力，100kPa；P2：阀后压力，100kPa；ΔP：压差，100kPa；Pv：饱和蒸气压，100kPa；Pc：临界点压力；ΔPc：临界压差，100kPa；FL：压力恢复系数。

1.4 Kv值公式计算步骤

利用上述公式计算流量系数Kv 值的步骤如下[4]：

第一步：根据已知条件查介质的物化参数：FL、Pc。

第二步：判定流体的流动状态。

(1)流体介质为液体，进行如下计算：判断Pv 是大于还是小于0.5P1；由a 的判断结果选取对应的ΔPc 公式：若ΔP＜ΔPc则为一般流动，否则为阻塞流动。

(2)流体介质为气体，进行如下判断：ΔP/P1＜0.5FL2为一般流动；ΔP/P1≥0.5FL2为阻塞流动。

第三步：根据判定的介质流动状态，选取对应的Kv 值计算公式。

通过上述Kv 值的计算方法，得出调节阀在额定工况下的Kv 值，根据选择的调节阀流量特性，若额定Kv 值在50%～80%之间，可初步判定选择的调节阀型式合适。然后逐个计算在系统最低参数和最高参数工况下的Kv 值，校核所选调节阀的运行可靠性，若在系统最低和最高参数下对应的Kv 值位于20%～90%区间内，则说明选取的调节阀合理[5]。

2 调节阀的选型应用分析

在调节阀选型过程中，计算是基础，选型要更复杂和关键。因为计算依据固定的公式，它的本身不在于公式的精确度，而在于所给定的工艺参数是否准确

2.1 预选阀型

调节阀的选型应先归纳总结调节阀的基本型式，弄清楚其结构型式、应用特点，总结出它们的主要设备和设计参数、工作条件、适用工况和注意事项，然后在此基础上有针对性的进行调节阀的选型[6]。(1)分析流体介质的类型。分析介质的压力、温度等级；分析流体的介质特性：属于一般流体或高黏度、有毒、腐蚀性流体。(2)明确调节阀的功能。泄漏量、压差ΔP(包括正常工作压差，阀关闭时压差)应满足工艺要求；特殊介质要求，如防堵、耐蚀、耐温、耐压等。(3)分析综合经济投资成本和运行效果，确定调节阀型式高可靠性：结构简单、可靠性高；使用年限长、操作检修方便，备品备件充足已采购；产品价格适宜，性能价格比好。

2.2 流量特性的选择

工作流量特性与压降分配比S(又称阀组比，即阀体部件全开时的阀前后压差和系统总压差之比) 有关。调节阀本体的压降越小，调节阀全开时通过的流量相应减小，曲线越向下移动，使得原本理想的直线特性畸变为快开特性，理想的对数特性畸变为直线特性，一般S 不小于0.3。通常情况下，对于阀前后压力变化大的系统；压降随负荷增加而急剧下降的系统；调节阀压降在小流量时大、大流量时小，流量调节范围小且阀可能处小开度工作的系统；工艺提资参数不准、外界影响大的系统应选取对数特性的调节阀。反之，应选取直线特性的调节阀[7]。

2.3 Kv值及阀径计算

(1)口径计算原理。因调节阀流量系数是在100kPa 压差、介质为常温水时测定的，而在实际工况条件下，由于压差、介质等条件的不同，不能以实际流量与阀流量系数比较，而应进行Kv值验算。把设计工艺参数代入相应的Kv 值计算公式中，得出Kv值，根据计算出的Kv 值与阀特有的Kv 值相比较，从而预确定阀的口径。然后通过进一步有关验算，最终验证所选调阀是否能满足工作要求。

(2)阀径计算步骤。从工艺介质参数提资到阀径确定，一般需要考虑以下几个因素：①确定使用条件：流体介质的名称、属性、性质及基本的物化数据；介质的工艺参数；阀门安装情况(阀前后管径、管道布局、系统阻力等)；被控对象类型、特点；调节性能要求，如对流量、调节比、稳定性等要求。②初选阀型，并决定流量特性及流向。③计算流量的确定。根据系统的运行工况、设计条件、应用需求及介质的本性，确定计算的最大工作流量Qmax 和最小工作流量Qmin。为保证调节阀适应系统的负荷变化，选取调节阀口径时通常要留有一定的设计余量，避免调节阀在全开位置或极小开度下工作，一般设计的最大流量应比工艺运行的最大流量大25%～60%。另一方面，应防止设计余量过大，使得阀门口径选型过大，造成投资成本和运行能耗增加，调节性能变差，缩短阀门使用年限，增加安全隐患。一般工艺过程中，Qmin=30%Qnor，Qmax=125%Qnor。④计算压差的确定。根据选定的阀流量特性、系统运行工艺条件确定S 值，继而通过计算得出压差。⑤Kv 值计算。根据介质的参数和流动状态，参照表1 选择相应的Kv 值计算公式，计算得出Kvmin、Kvmax 或Kvnor(正常流量Qnor 下的Kv 值)。⑥初步确定调节阀口径。根据计算所得的Kvmax 和Kvnor，在调节阀系列中，选取大于Kvmax 且与其接近一档的Kv 值调阀，初步确定口径。⑦开度验算。⑧可调比验算：一般要求实际可调比应不小于10。⑨压差校核：可采用计算F 和Ft 来进行校核，也可查表进行许用压力(dg=ds)、许用压差校核。⑩若上述验算合格，则所选阀门口径合适。若不合格，需重新确定口径(即Kv 值)或另选其它阀型，再验算至合格为止[8]。

通过上述步骤，即可依次确定调节阀的阀型、特性曲线、调节Kv 值及阀径，为设计人员选型调节阀时提供可靠的计算理论依据和方法途径。

3 结论

本文对调节阀的型式及流量特性进行了说明，对流量系数Kv 在不同流体介质和不同流动状态下的计算方法进行了充分论述，并提出了调节阀的选型应用步骤和计算校核依据。可为设计人员在调节阀选型过程中提供充足的理论计算支持和指导，能有效提高调节阀选型的合理性、应用的可靠性，降低因调节阀选型不当造成的经济损失和运行操作故障，提高系统的运行稳定性。