调节阀口径计算

徐坤龙

（韶关冶炼厂 质控中心,广东韶关 512024）

调节阀口径计算

徐坤龙

（韶关冶炼厂 质控中心,广东韶关 512024）

以韶关冶炼厂鼓风炉顶周边风风量调节阀选择为例，介绍了调节阀的结构型式及其选择原则,论述了调节阀的流量系数的计算方法,根据计算的流量系数得出调节阀的阀座通径和管径,并对调节阀开度进行了校验。

调节阀 ；流量系数；调节阀口径；两相混合流

2007年,韶关冶炼厂Ⅱ系统进行了300 kt工艺挖潜改造工作。鼓风炉车间工艺参数进行了调整,投料量和鼓风风量有了显著的增加,炉顶料钟周边风风量也随之增加。因此,必须重新计算周边风调节阀口径,使得其在可以通过最大风量的前提下,在正常工艺条件时,调节阀能打开至适当的开度。影响调节阀选定的因素很多,其中最主要的是调节阀的流量系数Kv（Cv）的确定。为了表示调节阀的容量,规定以阀全开时的流量系数作为其额定流量系数。调节阀种类繁多,口径计算方法有多种,分别论述如下。

1 调节阀的结构型式及其选择

常用的调节阀有座式阀和蝶阀2类,随着生产技术的发展,调节阀结构型式越来越多,一般包括单座调节阀、双座调节阀、套筒阀、角形阀、偏心旋转阀、V型球阀、O型球阀、隔膜调节阀、蝶阀等。不同形式的调节阀适合的场合也不尽相同,例如单座调节阀（VP,JP）泄漏量小（额定Kv值的0.01%）,允许压差小,适用于一般流体,压差小、要求泄漏量小的场合;双座调节阀（VN）不平衡力小,允许压差大,流量系数大,泄漏量大（额定K值的0.1%）,适用于要求流通能力大、压差大,对泄漏量要求不严格的场合。偏心旋转阀（VZ）体积小,密封性好,泄漏量小,流通能力大,可调比宽R=100,允许压差大,适用于要求调节范围宽、流通能力大、稳定性好的场合。选择调节阀的结构型式主要是根据工艺参数(温度、压力、流量)、介质性质(粘度、腐蚀性、毒性、杂质状况),以及调节系统的要求(可调比、噪音、泄漏量）综合考虑确定。一般情况下,应首选普通单、双座调节阀和套筒调节阀,因为此类阀结构简单,阀芯形状易于加工,比较经济。如果此类阀不能满足工艺的综合要求,可根据具体的特殊要求选择相应结构型式的调节阀。

2 计算流量系数计算理论分析

2.1 计算流量系数需要确定的主要参数[1]

调节阀口径的选定是否正确,取决于流量、压差等计算数据的准确程度。计算流量系数需要确定的主要参数如下：1)要给出以工艺装置产量的保证值进行物料衡算时采用的流量值Qn或Wn。2)要有工业装置的所谓产量的争取值,此数据不能乘以任何系数。3)要得到为克服干扰,调节阀保证通过的动态最大流量,即计算最大流量。计算最大流量应大于稳态最大流量,否则调节系统不能工作。一般可以以稳态最大流量的1.15～1.5倍作为最大计算流量。当无法获得或者最大流量接近于正常流量时,要求计算最大流量应不小于正常流量的1.25倍。4)有时还需要确定最小流量值。最小流量是工业装置运行时可能出现的稳态最小流量,但不是阀门的泄露量。5)调节阀作为一个可变阻力的部件,必须保证阀上有一定的阻力驻P。6)由于调节阀装在管路系统中,其调节作用的好坏还直接和阀阻比S100有关。S100值越大,调节阀流量特性的畸变越小,调节阀的性能越能到保障,阀的口径也较小；但是伴随阀压降增大,动力消耗也随之增大。当S100＜0.3时,直线流量特性将严重畸变为快开特性,等百分比畸变为直线特性,可调比已显著减小。在确定计算阀压降和S100时,计算阀压降最好是计算最大流量下的阀压降。应尽量避免阀压降达到一定数值时产生的空化、气蚀和发出的噪音。

2.2 阻塞流及其对流量系数计算的影响

所谓阻塞流是指当阀前压力p1保持一定,而逐步降低阀后压力p2时,流经调节阀的流量会增加到一个最大极限值,达到最大极限值后,再继续降低p2,流量不再增加。此时的流动状态称为阻塞流。显然,形成阻塞流后,流量与驻P=p1-p2的关系不再遵循C=的规律。因此,为了精确求得此时的C值,只能把开始产生阻塞流时的阀压降作为计算阀压降。对于可压缩流体,只要根据制造厂提供各种调节阀的XT值,便可将X大于或等于FKXT作为阻塞流的条件,并把P1-(FKXT)=驻Pcr作为驻P代入计算C值的公式,可求得阻塞流的正确流量系数。对于不可压缩流体(液体),流经调节阀时,其缩流断面处的压力Pvc如果小于入口温度下流体介质的饱和蒸气Pv时,部分液体会发生相变,形成气泡,产生闪蒸,若继续降低Pvc,流体便会形成阻塞流。此时Pvc用Pvcr表示,Pvcr= FFPv。FF是液体的临界压力比系数,它是阻塞流条件下的缩流断面压力与阀入口温度下的液体饱和蒸汽压力Pv之比,是Pv与液体临界压力Pc之比的函数。可根据公式FF=0.96-0.28近似确定。为了确定流体状态,引入一个压力恢复系数FL2,当驻P≥FL2(P1-Pvcr)或者 驻P≥FL2(P1-FFPv)成立,则为产生阻塞流[2]。此时,只要以FL2(P1-FFPv)取代驻P代入公式,便可求得正确的流量系数值。当液体的雷诺数＜3 500后,流量系数需要修正。

2.3 Cmax值的求取和调节阀口径的选定

为了正确选定调节阀口径,最关键的是要求得计算最大流量时所需的Cmax。只要Cmax确定,根据已确定调节阀,在该系列调节阀额定流量系数中选取一个不小于并最接近Cmax的值,作为最终选定的流量系数C100,与此C100相对应的调节阀口径即为最终选定的调节阀口径。计算Cmax值有2个途径:一是根据掌握的计算最大流量时的计算数据按公式直接求取;另一种是由正常流量条件下的计算数据求取正常流量时所需的流量系数Cn,然后综合计算最大流量、系统摩擦阻力降等因素,求出Cmax。其中,最大流量时的阀阻比SQmax是求取Cmax的关键,计算它的方法与工艺对象有关。最大流量时的阀阻比可根据式(1)计算：

式中：n表示计算最大流量与正常流量之比,Sn是正常流量的阀阻比。

另外,如果调节阀装于风机或离心泵出口,而阀下游有恒压点的对象,当流量从Qn增大到Qmax时,系统的总压力降中还要考虑压头的损失驻h,则最大流量时的阀阻比可根据式(2)计算：

最大流量时的阀门流量系数根据式(3)计算。

2.4 相对行程与可调比计算

所谓调节阀的行程是指执行机构为改变阀内流量从阀全关位置起至阀全开位置的位移,以L表示。把阀全开时的行程称为额定行程L100。相对行程便是某特定行程与额定行程之比,以l表示,即,通常称为调节阀的开度。对于线性调节阀其开度近似等于L=对于等百分比特性调节阀,在理想可调比为30时,L=1+0.68 lg

从调节效果和经济性出发,正常流量时的相对行程应有一个比较理想的范围,如直线特性调节阀的相对行程在0.6左右,等百分比特性调节阀的在0.8左右。然而,同时满足工艺过程的n值和调节阀相对行程的最合适位置是很困难的。由于静态最大流量是由工艺装置的最高产量所决定,因此用改变静态最大流量的办法来满足相对行程的做法不可取。唯一可调整的是考虑计算最大流量时所取的倍数(1.15～1.5)[3]。除了考虑对象特性和调节规律等因素外,建议在S100值较高时取较大的倍数,在S100值较低时取较小的倍数；对于直线特性调节阀取较小的倍数,对于等百分比特性调节阀取较大的倍数。在缺乏必要的计算数据时,可推荐直线特性调节阀取m值为1.63,对等百分比特性调节阀取m值为1.97。在n值和S100已确定的情况下只要m值(m=)选取合适,一般可不必进行额定流量时的相对行程验算。

调节阀在实际使用中,由于和它串联的管道阻力发生变化,使调节阀的阀压降随着流量的变化而变化,调节阀的可调比也随之发生改变。此时的最大流量和最小流量之比称为工作可调比,以R表示, R=R0。这说明,S100值越小,实际的工作可调比越小。因此,为保证一定的可调比,要适当考虑阀压降的数值,使S100值不致过低。

3 调节阀口径计算与开度验证

对于可压缩流体,有经验估算、平均重度修正和膨胀系数修正重度法3种方法求取调节阀的流量系数[4]。但是,由于经验估算法没有考虑调节阀本身的特性,简单地以调节阀前后的差压与入流处压力的比值关系来判定流体的状态,因此造成的误差很大。平均重度法和膨胀系数修正重度法两者的计算精度相似,都考虑了压力恢复系数的影响。不过膨胀系数修正重度法还引入其他8个新的参数,其中物理参数4个（K、Pc、Tc、M）,查图参数1个（Z）,计算参数3个（XT、FK、Y）。由于考虑的因素多,精度也更高。但平均重度法的计算简单,不需要太多的物性参数和物理参数,使用起来更加方便。以下以韶冶300 kt挖潜技术改造实践为例,采用平均重度法对周边风调节阀的流量系数、口径进行计算。

韶冶300 kt挖潜技术改造中,Ⅱ系统鼓风炉的年产量从100 kt/a提高到150 kt/a,主风口风量从42 km3/h提高到45～46 km3/h,由于主风口风量提高,为了保证炉内气流速度符合技术要求,炉身面积由21.35 m2提高到了28 m2。随着炉身面积的增加,为了保持炉内料面形状,对加料装置进行了改进,底钟直径由1 345 mm增大到1 830 mm。

由于主风口风量增加,炉内热风流速下降,会增加炉内温度,因此需增大冷却面积以加大料钟。料钟风的主要作用就是冷却料钟,在加料时抑制炉内热风外溢。因此,为了保护料钟,来自常温冷风管的风量必须增加,已知Qmin=150 m3/h,QN提高到500 m3/h,最大计算流量提高到580 m3/h,P1的绝对压力为220 kPa,P2的绝对压力为100 kPa,驻PQmin=60 kPa,驻PQN= 100 kPa,驻PQmin=120 kPa,空气在标准状况下的重度取rN=1.29 kg/m3。根据工艺要求选取单座球阀。

第1步,查得FL=0.55。第2步,驻PQmin/P1=0.6/2.2= 0.27,0.5FL2=0.5×0.552=0.15。0.27＞0.15，所以流体在最小流量至最大计算流量时皆是阻塞流。第3步,采用阻塞流公式计算Kvmin与Kvmax。

根据Kvmax=28.72,查上海科迪仪表有限公司的ZMAP/ZMBP气动薄膜调节阀线性特性调节阀的流量系数得DN=50 mm,dg=50 mm,Kv=44。

因调节阀采用线性特性调节阀,所以采用线性验算公式,验算如下：

由计算可知,Kmax＜90%,且Kmin＞10%,所以Kv=44验算合格。

选取的调节阀的理论可调比为30,该调节阀的阀阻比为0.3,所以实际可调比为：

因为R实＞，所以可调比验算合格。

4 结论

从工艺描述可知,该调节系统处在比较适宜的工作环境,不存在腐蚀性、高温、高压的介质。阀门前后的压差也不大,对阀门的密封面不会造严重拉伤,在瞬间开关时,难见堵卡现象。工艺要求调节阀能快速反应,实际的应用中,直线特性的调节阀表现出了类似快开的特性:在低开度时风量增加很快,当阀门开度达到70%左右时,开度再增加,调节阀的输出风量增加不再显著变化。调节阀的这种特性正合适迅速降温的需求。综上所述和实际应用的情况,该调节阀能实现工艺的目的。

[1] 陆德明.石油化工自动控制手册[M].3版.北京:化学工业出版社,2013.

[2] 杨纪伟.调节阀流量关系变形特性分析[M].北京:机械工业出版社,1999.

[3] 付卫东,等.调节阀流量的计算方法[M].北京:机械工业出版社,1999.

[4] 谢云山,刘建领,赵钟荣.调节阀的选型设计要点[J].自动化与仪器仪表,2008(5):20-23.

Calculation on Caliber of Regulating Valve

XU Kunlong
(Quality Control Center of Shaoguan Smelter,Shaoguan,Guangdong 512024,China)

Taking selection of air quantity regulating valve around blast furnace top as an example,the paper introduces structure type of regulating valve and its selection principle and discusses calculation method of flow factor of regulating valve,meanwhile,DN and pipe size of regulating valve can be obtained based on the calculated flow factor,and aperture of regulating valve should be checked.

regulating valve;flow factor;caliber of regulating valve;two-phase mixed flow

TH134

B

1004-4345(2015)01-0031-04

2014-04-30

徐坤龙(1973—),男,工程师,主要从事现场仪表管理工作。