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（中海油研究總院 北京 100027）鄭偉，周學(xué)軍，洪毅
摘要：本論文針對渤海某海上采油平臺控制閥的實際應(yīng)用情況，結(jié)合目前控制閥的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，討論了控制閥選型原則和不可壓縮流體閥門計算公式的應(yīng)用。最后給出了控制閥參數(shù)選取及手工計算的實例并利用InstruCalc軟件進(jìn)行驗算。
關(guān)鍵字：控制閥；閥門選型；閥門計算；流量系數(shù)
Abstract: The application of control valve model selection and sizing equations for incompressible fluids are discussed in this paper. An example of control valve parameter selection and manual sizing methods is presented, and the valve sizing software tool InstruCalc is used to verify the sizing results.
Key words: Control Valve; Valve Selection; Valve Calculation; Flow Coefficient
1 概述
控制閥又稱調(diào)節(jié)閥，是組成工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，它被稱之為生產(chǎn)過程自動化的“手足”，正確選擇控制閥是確保系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運行的關(guān)鍵。
控制閥選型時要綜合考慮以下因素：流體的類型、腐蝕性和粘性；流體的溫度、進(jìn)出口壓力、比重；最大最小工作流量、正常工作流量及壓差；最大允許噪聲等級；過熱度和閃蒸、空化產(chǎn)生的可能性；控制閥配管材質(zhì)和尺寸等。
具體來說，選型原則可以歸納為以下幾點：
（1）根據(jù)工藝條件，選擇合適的控制閥結(jié)構(gòu)形式（球閥、角閥、蝶閥等）和材質(zhì)（鑄鋼、不銹鋼或襯里）；
（2）根據(jù)被控對象特點，選擇合理的流量特性（直線、等百分比、快開）及流量特性（流開、流閉）；
（3）根據(jù)工藝參數(shù)，計算出合理的閥門口徑；
（4）根據(jù)具體情況選擇合適的執(zhí)行機構(gòu)（氣動、電動或液動）；
（5）根據(jù)工藝過程控制的要求，選擇合適的輔助裝置（密封填料、閥門定位器、手輪等）。
渤海某平臺基本設(shè)計項目中，根據(jù)工藝要求，共設(shè)置控制閥共39個，主要應(yīng)用在測試/生產(chǎn)管匯、加熱爐、分離器、燃料氣罐，儀表氣罐、公用氣罐進(jìn)出口管線上，通過改變流體流量調(diào)節(jié)被控對象的壓力、溫度、液位。
2 計算原理及案例
2.1流量系數(shù)
影響控制閥口徑選定的因素很多，其中最主要的是控制閥流量系數(shù)的確定。流量系數(shù)是用于說明規(guī)定條件下控制閥流通能力的基本系數(shù)，一般指特定流體在特定溫度下，當(dāng)閥兩端為單位壓差時，單位時間內(nèi)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的體積數(shù)。采用不同的單位制時流量系數(shù)有不同的表達(dá)式，流量系數(shù)定義如表1所示。
表1 流量系數(shù)的定義
由于該海上平臺上，工藝參數(shù)都采用國際單位制，而控制閥產(chǎn)品多采用英制，因此本論文采用國際單位制流量系數(shù) 進(jìn)行控制閥計算，通過 進(jìn)行閥門選型。 與 換算關(guān)系為：
CV=1.156KV
對于不可壓縮流體，流量系數(shù) 可以用公式（1）表示：
（1）
式中，
Q——被測流體體積流量， ；
Ρ——流經(jīng)閥的流體密度， ；
Ρw—— 5℃~40℃水的密度， ；
ΔΡ——閥進(jìn)出口壓差，bar。
需要指出的是，公式（1）表示的是不可壓縮流體流量系數(shù)計算的基本原理公式。當(dāng)流體在閥內(nèi)行程阻塞流（Choked flow）、流體處于非湍流流動狀態(tài)或閥兩端與工藝管道間裝有過渡管件時，要對公式（1）作進(jìn)一步修正。
當(dāng)流體在閥內(nèi)形成阻塞流時，控制閥的流量系數(shù) 應(yīng)該按照公式（2）計算：
（2）
其中，
P1 ——閥進(jìn)口壓力，bar；
Pv ——飽和蒸氣壓力，bar；
FL ——壓力恢復(fù)系數(shù)；
FF——液體臨界壓力比系數(shù)；
N1——常數(shù)，因單位制及流量系數(shù)定義而異。
雷諾數(shù) 是一個用來表明流體在管道內(nèi)流體狀態(tài)的無量綱數(shù)。對于只有一個流路的調(diào)節(jié)閥，如我們常用的直通單座閥、球閥等，雷諾數(shù) 可表示為：
（3）
其中，V 為液體介質(zhì)的運動粘度； N3為常數(shù)，因單位制及流量系數(shù)定義而異。
當(dāng)雷諾數(shù)很低，流體已在層流狀態(tài)流動，流量是與閥壓降成正比而不是與閥壓降的開方值成正比。因此對于雷諾數(shù)偏低的流體在 值計算時必須進(jìn)行修正：
（4）
其中， 為雷諾數(shù)修正系數(shù)，可從相關(guān)手冊的雷諾數(shù)修正系數(shù)曲線圖中查得。
2.2控制閥口徑計算流程
a）計算數(shù)據(jù)的確定。需要工藝專業(yè)配合提供控制閥流體最大工作流量（Qmax ）、正常工作流量（ Qnor）、最小工作流量（
Qmin
）、閥門進(jìn)口壓力、閥門出口壓力、流體粘度、流體溫度、飽和蒸汽壓等數(shù)據(jù)。拿到上述工藝數(shù)據(jù)后，儀表工程師要根據(jù)實際情況對參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修正。
b）阻塞流判別。根據(jù)公式（5）判斷流經(jīng)閥門的流體是否為阻塞流。
（5）
如果公式（5）成立，則為非阻塞流，按照公式（1）計算最大工作流量工況下的流量系數(shù) Kvmax，進(jìn)而得到 Cvmax；反之，為阻塞流，按照公式（2）計算最大工作流量工況下的流量系數(shù)
Kvmax
，進(jìn)而得到
Cvmax
。
c）低雷諾數(shù)修正。根據(jù)公式（3）求取雷諾數(shù)Re ，若
Re ≧3500，不需要進(jìn)行低雷諾數(shù)修改，步驟b）中計算出的流量系數(shù)即為所求； 若 ，
Re <3500,需要進(jìn)行低雷諾數(shù)修正，按照公式（4）對流量系數(shù)進(jìn)行修正。
d）控制閥口徑的選定。根據(jù)已計算出的最大工作流量工況下的流量系數(shù) ，在所選用的控制閥產(chǎn)品型式系列中，選取大于
Cvmax
并與其接近的一檔額定流量系數(shù) C100（即閥全開時的流量系數(shù)），從控制閥參數(shù)規(guī)格表中查得
C100
對應(yīng)的閥門口徑。
e）開度驗算。把正常工作流量（
Qnor
）、最小工作流量（
Qmin
）按照上述步驟進(jìn)行計算，分別求得
Qnor
、
Qmin
。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般來說，如果最大工作流量工況下閥開度（Cmax / C100 ）位于70~90%之間、正常工作流量工況下閥開度（Cnor /
C100
）位于30%~70%之間、最小工作流量工況下閥開度（Cmin/
C100
）位于10%~30%之間，則認(rèn)為控制閥口徑選擇合理。
2.3控制閥計算案例
下面以渤海某平臺基本設(shè)計項目中工藝閥門LV-2013為例，介紹進(jìn)行控制閥口徑計算的過程。
如圖1所示，液位控制閥LV-2013為氣動直線型單座閥，安裝在一級分離器CEPA-V-2001的油相出口管線上，通過調(diào)節(jié)出口流量達(dá)到控制一級分離器內(nèi)油相液位的目的。
控制閥LV-2013原始工藝參數(shù)見表2。
圖1 一級分離器控制流程示意圖
表2 LV-2013工藝參數(shù)
根據(jù)本論文提供的控制閥口徑計算步驟進(jìn)行計算：
a）計算數(shù)據(jù)的確定。工藝專業(yè)提供的原始數(shù)據(jù)如表2所示，儀控工程師需要對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
最大工作流量（
Qmax
）的確定：由于控制閥制造時存在一定的誤差，從穩(wěn)妥考慮，控制閥計算中需要用到的最大工作流量（
Qmax
）必須大于表2中給出的“最大工作流量”（即117.7m3/h）。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般取“穩(wěn)態(tài)最大流量”的1.15～1.5倍作為最大流量（
Qmax
）取值，本項目中，選取倍數(shù)為1.3，所以有 。正常工作流量（
Qnor
）、最小工作流量（
Qmin
）可以直接使用表2中取值，即
Qnor =90m3 /h，
Qmin =34.7
m3 /h
。
閥壓降（ΔΡ ）的確定：表2中給出的“管路總壓降”是指管路系統(tǒng)中包括調(diào)節(jié)閥在內(nèi)的管路總摩擦阻力降。嚴(yán)格來說，要根據(jù)管路流體流量、流體粘度、直管段長度、彎頭、手動閥、漸縮管等參數(shù)進(jìn)行模擬計算才能得到閥壓降（
ΔΡ
）值。為簡化計算，工程設(shè)計中一般推薦采用“管路總壓降”的30%～50%作為控制閥閥壓降（
ΔΡ
）取值，本項目選取50%，因此有閥壓降 ΔΡ =0.7x50%=0.35(bar)。
b）阻塞流判別。這里 ΔΡ
=0.35
bar
，F(xiàn)L 取0.9，F(xiàn)F 取0.93，F(xiàn)2(P1-FFPV)=0.92(4-0.93X3)=0.98bar代入計算得 ，則有 ，所以流體狀態(tài)為非阻塞流，應(yīng)按照公式
（1）計算流量系數(shù)Kvmax 。
c）低雷諾數(shù)修正。根據(jù)公式（3）求取雷諾數(shù)
故不必作低雷諾數(shù)修正。
d）控制閥口徑的選定。根據(jù)已計算出的最大工作流量工況下的流量系數(shù)Cvmax=1.156Kvmax=1.156x242.60=280.45 ，在所選用的控制閥產(chǎn)品型式系列中，選取大于 并與其接近的一檔額定流量系數(shù)C100值396，對應(yīng)的閥門口徑為6 in。
e）開度驗算。
利用上述方法，得到正常工作流量工況下、最小工作流量工況下流量系數(shù)分別為：
Cvnor=169.59
，
Vvmin=65.39
。
最大工作流量工況下閥開度：
Cvmax / C100=280.45/396=71
%
正常工作流量工況下閥開度： Cvnor / C100 =169.59 /396=43%
最小工作流量工況下閥開度： Cvmin
/ C100 =65.39 /396=17%
閥門開度均在合理范圍內(nèi)，控制閥口徑選擇合理。
2.4利用InstruCalc軟件驗證
InstruCalc軟件是做儀表閥門工程計算常用軟件，控制閥閥門口徑計算模塊人機交互界面如圖1所示。其中“Input Data”框中內(nèi)容是要求我們輸入的原始數(shù)據(jù)，Case 1、Case 2、Case 3表示最大、正常、最小三種不同工況；“Output Data”框為輸出數(shù)據(jù)；“Valve Rated Data”為根據(jù)計算結(jié)果選定的閥型及相關(guān)閥門參數(shù)。
本項目中進(jìn)行控制閥口徑計算采用的就是InstruCalc軟件，現(xiàn)利用此軟件對手工計算結(jié)果進(jìn)行驗算。
將表2中的原始數(shù)據(jù)輸入InstruCalc軟件，從圖2可以看出，利用軟件計算的3種工況下 值分別是280.54、169.65、67.608，與本論文手工計算結(jié)果基本一致，驗證了本文控制閥口徑手工計算結(jié)果的合理性。
圖2 InstruCalc 控制閥口徑計算模塊界面
3 結(jié)束語
本論文以渤海某平臺基本設(shè)計項目中控制閥計算為案例，討論了一種基于不可壓縮流體的控制閥參數(shù)選取以及閥門口徑手工計算方法。閥門計算結(jié)果正確與否，很大程度上取決于最大工作流量（Qmax ）和閥壓降（ ΔΡ）的確定。這就需要儀控工程師與工藝專業(yè)密切配合，從工藝對象的特點、調(diào)節(jié)要求以及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合權(quán)衡，以選取合理的參數(shù)。
控制閥的計算是非常復(fù)雜繁瑣的，要綜合考慮多方面的因素。目前設(shè)計院中一般采用專門的軟件進(jìn)行計算。在今后的工作中，可以將手工計算與軟件計算相結(jié)合，兩者互相驗證，提高計算結(jié)果的可靠性。
參考文獻(xiàn)：
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[3] ANSI/ISA 75.01.01-2002，F(xiàn)low Equations for Sizing Control Valves.
摘自《自動化博覽》2011年第三期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號