調節閥流量系數計算及其選型分析

劉輝 司志娟(航天環境工程有限公司，天津 300457)

0 引言

調節閥是用于控制調節介質流體流量和壓力，實現流體自動化控制、保障系統運行穩定平衡的關鍵設備[1]。然而在調節閥的實際選型過程中，設計人員往往對調節閥的結構和流量特性不熟悉，且不能掌握流量特性系數的計算方法，致使在調節閥的提資選型過程中，無法正確選擇合理流量特性和系數的調節閥，從而影響系統的正常運行和平衡操作。更有甚者需更換調節閥，造成經濟成本的增加和系統運行的不穩定性。針對上述清形，本文結合調節閥的流量特性，探討性提出了流量系數較為精確的計算方法。通過計算所得的流量系數，結合調節閥適用的不同介質參數和工況條件要求，可進一步對調節閥的閥型、流量特性及閥徑等關鍵數據做出合理判定，分析選型得出合適的調節閥，為設計人員調節閥的正確選型提供參考依據，減少不必要的麻煩。

1 調節閥流量系數的計算方法

1.1 調節閥流量特性的定義

調節閥的流量特性是指介質流過閥門的相對流量與相對開度的關系，以適應不同的系統特性要求，流量特性反映了調節閥的調節品質。調節閥的理想流量特性可歸結為直線流量特性、對數(等百分比)流量特性、拋物線流量特性和快開流量特性，調節閥對應的流量特性不同，決定了調節閥使用的介質和工況條件的差異，同時增加了設計人員計算和選型時的復雜性和困難程度。

1.2 流量系數Kv

流量系數是調節閥重要的工藝參數和技術指標，合理計算和應用Kv 值是調節閥正確選型和保證系統正常運行的關鍵步驟，Kv 值的定義為：當調節閥全開，閥兩端壓差ΔP 為100kPa，流體重度r 為lgf/cm3(即常溫水：5～40℃)時，每小時流經調節閥的流量數，以m3/h 或t/h 計。流量系數表示通過流量的能力，同口徑Kv 值越大越好。國外，流量系數常以Cv 表示，兩者的換算關系為：Cv=1.167Kv[3]。

1.3 Kv值的計算方法

對于不可壓縮流體，Kv 值的傳統理論計算公式：

對于可壓縮流體，其理論計算公式：

因調節閥的結構不同，壓力的恢復情況不同，使得閥門的工作曲線與理論壓力曲線存在偏離。因此，引入一個表示閥壓力恢復程度的系數FL(壓力恢復系數)對理論公式進行修正，其表達式為：

式中：ΔPvc、ΔPc 為產生閃蒸時的縮流處壓差和閥前后壓差。

FL=1，P2與P1無關，壓力恢復無；FL＜1，P2接近于P1，壓力恢復程度高；FL越少，壓力恢復越大，一般取FL=0.5～0.98；通過對理論Kv 值計算公式的修正，針對不同的流體和流動狀態，整理得出如下計算方法：

表1 不同流體和流動狀態下Kv值的計算方法

計算公式中的代號及單位說明：Q：液體流量，m3/h；QN：標況下氣體流量，Nm3/h；GS：蒸氣重量流量，kgf/h；r：液體密度，g/cm3；rN：標況下氣體重度，kg/Nm3；t：攝氏溫度，℃；tsh：過熱溫度，℃；P1：閥前壓力，100kPa；P2：閥后壓力，100kPa；ΔP：壓差，100kPa；Pv：飽和蒸氣壓，100kPa；Pc：臨界點壓力；ΔPc：臨界壓差，100kPa；FL：壓力恢復系數。

1.4 Kv值公式計算步驟

利用上述公式計算流量系數Kv 值的步驟如下[4]：

第一步：根據已知條件查介質的物化參數：FL、Pc。

第二步：判定流體的流動狀態。

(1)流體介質為液體，進行如下計算：判斷Pv 是大于還是小于0.5P1；由a 的判斷結果選取對應的ΔPc 公式：若ΔP＜ΔPc則為一般流動，否則為阻塞流動。

(2)流體介質為氣體，進行如下判斷：ΔP/P1＜0.5FL2為一般流動；ΔP/P1≥0.5FL2為阻塞流動。

第三步：根據判定的介質流動狀態，選取對應的Kv 值計算公式。

通過上述Kv 值的計算方法，得出調節閥在額定工況下的Kv 值，根據選擇的調節閥流量特性，若額定Kv 值在50%～80%之間，可初步判定選擇的調節閥型式合適。然后逐個計算在系統最低參數和最高參數工況下的Kv 值，校核所選調節閥的運行可靠性，若在系統最低和最高參數下對應的Kv 值位于20%～90%區間內，則說明選取的調節閥合理[5]。

2 調節閥的選型應用分析

在調節閥選型過程中，計算是基礎，選型要更復雜和關鍵。因為計算依據固定的公式，它的本身不在于公式的精確度，而在于所給定的工藝參數是否準確

2.1 預選閥型

調節閥的選型應先歸納總結調節閥的基本型式，弄清楚其結構型式、應用特點，總結出它們的主要設備和設計參數、工作條件、適用工況和注意事項，然后在此基礎上有針對性的進行調節閥的選型[6]。(1)分析流體介質的類型。分析介質的壓力、溫度等級；分析流體的介質特性：屬于一般流體或高黏度、有毒、腐蝕性流體。(2)明確調節閥的功能。泄漏量、壓差ΔP(包括正常工作壓差，閥關閉時壓差)應滿足工藝要求；特殊介質要求，如防堵、耐蝕、耐溫、耐壓等。(3)分析綜合經濟投資成本和運行效果，確定調節閥型式高可靠性：結構簡單、可靠性高；使用年限長、操作檢修方便，備品備件充足已采購；產品價格適宜，性能價格比好。

2.2 流量特性的選擇

工作流量特性與壓降分配比S(又稱閥組比，即閥體部件全開時的閥前后壓差和系統總壓差之比) 有關。調節閥本體的壓降越小，調節閥全開時通過的流量相應減小，曲線越向下移動，使得原本理想的直線特性畸變為快開特性，理想的對數特性畸變為直線特性，一般S 不小于0.3。通常情況下，對于閥前后壓力變化大的系統；壓降隨負荷增加而急劇下降的系統；調節閥壓降在小流量時大、大流量時小，流量調節范圍小且閥可能處小開度工作的系統；工藝提資參數不準、外界影響大的系統應選取對數特性的調節閥。反之，應選取直線特性的調節閥[7]。

2.3 Kv值及閥徑計算

(1)口徑計算原理。因調節閥流量系數是在100kPa 壓差、介質為常溫水時測定的，而在實際工況條件下，由于壓差、介質等條件的不同，不能以實際流量與閥流量系數比較，而應進行Kv值驗算。把設計工藝參數代入相應的Kv 值計算公式中，得出Kv值，根據計算出的Kv 值與閥特有的Kv 值相比較，從而預確定閥的口徑。然后通過進一步有關驗算，最終驗證所選調閥是否能滿足工作要求。

(2)閥徑計算步驟。從工藝介質參數提資到閥徑確定，一般需要考慮以下幾個因素：①確定使用條件：流體介質的名稱、屬性、性質及基本的物化數據；介質的工藝參數；閥門安裝情況(閥前后管徑、管道布局、系統阻力等)；被控對象類型、特點；調節性能要求，如對流量、調節比、穩定性等要求。②初選閥型，并決定流量特性及流向。③計算流量的確定。根據系統的運行工況、設計條件、應用需求及介質的本性，確定計算的最大工作流量Qmax 和最小工作流量Qmin。為保證調節閥適應系統的負荷變化，選取調節閥口徑時通常要留有一定的設計余量，避免調節閥在全開位置或極小開度下工作，一般設計的最大流量應比工藝運行的最大流量大25%～60%。另一方面，應防止設計余量過大，使得閥門口徑選型過大，造成投資成本和運行能耗增加，調節性能變差，縮短閥門使用年限，增加安全隱患。一般工藝過程中，Qmin=30%Qnor，Qmax=125%Qnor。④計算壓差的確定。根據選定的閥流量特性、系統運行工藝條件確定S 值，繼而通過計算得出壓差。⑤Kv 值計算。根據介質的參數和流動狀態，參照表1 選擇相應的Kv 值計算公式，計算得出Kvmin、Kvmax 或Kvnor(正常流量Qnor 下的Kv 值)。⑥初步確定調節閥口徑。根據計算所得的Kvmax 和Kvnor，在調節閥系列中，選取大于Kvmax 且與其接近一檔的Kv 值調閥，初步確定口徑。⑦開度驗算。⑧可調比驗算：一般要求實際可調比應不小于10。⑨壓差校核：可采用計算F 和Ft 來進行校核，也可查表進行許用壓力(dg=ds)、許用壓差校核。⑩若上述驗算合格，則所選閥門口徑合適。若不合格，需重新確定口徑(即Kv 值)或另選其它閥型，再驗算至合格為止[8]。

通過上述步驟，即可依次確定調節閥的閥型、特性曲線、調節Kv 值及閥徑，為設計人員選型調節閥時提供可靠的計算理論依據和方法途徑。

3 結論

本文對調節閥的型式及流量特性進行了說明，對流量系數Kv 在不同流體介質和不同流動狀態下的計算方法進行了充分論述，并提出了調節閥的選型應用步驟和計算校核依據。可為設計人員在調節閥選型過程中提供充足的理論計算支持和指導，能有效提高調節閥選型的合理性、應用的可靠性，降低因調節閥選型不當造成的經濟損失和運行操作故障，提高系統的運行穩定性。