阻塞流狀態下的閥門流量試驗分析

彭林，胡春艷，王劍，劉建峰，陶國慶

(合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031)

隨著國內閥門行業的技術進步，閥門的種類越發多樣化、專業化，以水系統閥門為例，各種輸水工程、水處理裝置、水電站機組配套裝置上均有成熟的有針對性的閥門產品。閥門不僅僅做為管路上的一個開關元件，還同時具備控制和調節的功能，甚至對整個系統起著關鍵性作用，比較典型的如調流閥、減壓閥、最小流量閥等。因此閥門的流量特性便愈發顯得重要了。目前閥門的流量特性只能通過專門的試驗裝置進行測試才能獲得，國內最常用的測試標準為GB/T 30832《閥門流量系數和流阻系數試驗方法》。國內最大的流量流阻測試裝置的試驗能力可以達到DN1000。

1 問題提出

根據標準規定，閥門流量系數是指5～40℃溫度范圍的水流經閥門，兩段壓差為100kPa時，以m3/h計的流量數值。流量流阻試驗裝置原理見圖1，系統主要由壓力水源、溫度傳感器、流量計、壓差傳感器、背壓調節閥等組成。壓力水源由變頻泵配旁通管路提供。壓力、流量、溫度等各項參數由高精度儀表采集傳輸至中控室電腦，再由專門的測試軟件進行分析。圖2為正在進行流量試驗的調節閥。

圖1 流量流阻試驗系統原理圖

圖2 正在試驗的調節閥

上述試驗系統中，通過改變泵運行頻率和旁通管路開度，調節被試閥前的壓力，通過背壓調節閥調節被試閥后的壓力，從而建立試驗工況，由流量計和傳感器采集被試閥前后壓差、管路流量、溫度等參數，進而計算出閥門的流量系數。圖3、圖4分別為DN450水位調節閥和DN150中線蝶閥不同開度下的流量系數實測曲線。兩臺閥的測試結果都在正常范圍內。

圖3 DN450水位調節閥流量系數

圖4 DN150中線蝶閥流量系數

看似簡單的測試過程，卻存在很多干擾因素，其中最容易忽視的即為管路內介質流動狀態對測試結果的影響。

首先，要先了解一下阻塞流和非阻塞流。阻塞流的定義是：不可壓縮或可壓縮流體在流過控制閥時所能達到的極限或最大流量狀態。對于不可壓縮的流體（試驗介質是水），被試閥閥前壓力保持一定，逐步降低閥后壓力，通過閥門的流量會增加，但當閥后壓力降低到某一數值后，通過閥門的流量達到一個最大的極限值，此后再降低閥后壓力通過閥門的流量不再增加了，這時就發生了阻塞流。進一步分析阻塞流的發生機理,不可壓縮流體通過節流元件（如控制閥）時，流道面積變小，流速增大，由伯努利原理可知，介質壓力會降低。最大流速處對應最低的壓力，當該點的壓力低于介質的飽和蒸氣壓時，液體氣化，在液相中產生氣泡，形成氣液兩相流，這種現象叫做閃蒸。出現閃蒸之后，再繼續增大閥門前后壓差，流量也不會增大了。

大多數閥門流量系數測試過程中，試驗介質處于非阻塞紊流狀態，這是比較理想的流動狀態。但當壓差進一步增大到極限壓差后，便會出現阻塞流。在阻塞流狀態下，通過傳感器測量的被試閥前后壓差與實際影響閥門流量的壓差之間存在偏差，若還根據前者計算流量系數，結果就會不準確。由于不同閥門對應的極限壓差并不相同，而且依據國內標準測試閥門流量系數時并不需要過高的壓力，極少會出現阻塞流的情況，加上在測試過程中，試驗人員主要關注系統的壓力、流量、溫度等參數的變化，所以容易忽視判斷介質的流動狀態。

2 解決方法

既然已經知道了問題所在，那么解決方法也很明了。

（1）試驗過程中盡量避免阻塞流的發生。

（2）在發生阻塞流后，以極限壓差代替實測壓差計算流量系數。

而采取上述措施的前提是要計算出極限壓差。

以DN450水位調節閥為例，計算過程如下：

只要在試驗時控制被試閥前后壓差不超過臨界壓差，試驗介質為非阻塞紊流狀態，便可直接計算閥門的流量系數。對多級調節閥在小開度進行流量試驗時，可通過減小泵的運行頻率，增大旁通管路開度的方法降低被試閥前壓力；也可以通過減小背壓調節閥開度的方法提高被試閥后壓力，從而避免在被試閥前后出現高壓差的情況。若被試閥前后壓差超過臨界壓差，試驗介質為阻塞紊流狀態，則在計算流量系數時，將臨界壓差代替測量壓差即可。

3 結語

多年的實踐證明，絕大多數閥門按照國內標準進行流量系數測試時介質都是非阻塞紊流狀態，測量結果較穩定，僅在一些帶附件的調節閥的某些開度下，才有可能出現阻塞紊流狀態，此時便要注意流量系數的計算取值問題。

[1]GB/T 30832-2014，閥門流量系數和流阻系數試驗方法[S].