徐坤龍

（韶關(guān)冶煉廠 質(zhì)控中心,廣東韶關(guān) 512024）

調(diào)節(jié)閥口徑計算

徐坤龍

（韶關(guān)冶煉廠 質(zhì)控中心,廣東韶關(guān) 512024）

以韶關(guān)冶煉廠鼓風爐頂周邊風風量調(diào)節(jié)閥選擇為例，介紹了調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式及其選擇原則,論述了調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)的計算方法,根據(jù)計算的流量系數(shù)得出調(diào)節(jié)閥的閥座通徑和管徑,并對調(diào)節(jié)閥開度進行了校驗。

調(diào)節(jié)閥 ；流量系數(shù)；調(diào)節(jié)閥口徑；兩相混合流

2007年,韶關(guān)冶煉廠Ⅱ系統(tǒng)進行了300 kt工藝挖潛改造工作。鼓風爐車間工藝參數(shù)進行了調(diào)整,投料量和鼓風風量有了顯著的增加,爐頂料鐘周邊風風量也隨之增加。因此,必須重新計算周邊風調(diào)節(jié)閥口徑,使得其在可以通過最大風量的前提下,在正常工藝條件時,調(diào)節(jié)閥能打開至適當?shù)拈_度。影響調(diào)節(jié)閥選定的因素很多,其中最主要的是調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv（Cv）的確定。為了表示調(diào)節(jié)閥的容量,規(guī)定以閥全開時的流量系數(shù)作為其額定流量系數(shù)。調(diào)節(jié)閥種類繁多,口徑計算方法有多種,分別論述如下。

1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式及其選擇

常用的調(diào)節(jié)閥有座式閥和蝶閥2類,隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式越來越多,一般包括單座調(diào)節(jié)閥、雙座調(diào)節(jié)閥、套筒閥、角形閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、V型球閥、O型球閥、隔膜調(diào)節(jié)閥、蝶閥等。不同形式的調(diào)節(jié)閥適合的場合也不盡相同,例如單座調(diào)節(jié)閥（VP,JP）泄漏量?。~定Kv值的0.01%）,允許壓差小,適用于一般流體,壓差小、要求泄漏量小的場合;雙座調(diào)節(jié)閥（VN）不平衡力小,允許壓差大,流量系數(shù)大,泄漏量大（額定K值的0.1%）,適用于要求流通能力大、壓差大,對泄漏量要求不嚴格的場合。偏心旋轉(zhuǎn)閥（VZ）體積小,密封性好,泄漏量小,流通能力大,可調(diào)比寬R=100,允許壓差大,適用于要求調(diào)節(jié)范圍寬、流通能力大、穩(wěn)定性好的場合。選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式主要是根據(jù)工藝參數(shù)(溫度、壓力、流量)、介質(zhì)性質(zhì)(粘度、腐蝕性、毒性、雜質(zhì)狀況),以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求(可調(diào)比、噪音、泄漏量）綜合考慮確定。一般情況下,應(yīng)首選普通單、雙座調(diào)節(jié)閥和套筒調(diào)節(jié)閥,因為此類閥結(jié)構(gòu)簡單,閥芯形狀易于加工,比較經(jīng)濟。如果此類閥不能滿足工藝的綜合要求,可根據(jù)具體的特殊要求選擇相應(yīng)結(jié)構(gòu)型式的調(diào)節(jié)閥。

2 計算流量系數(shù)計算理論分析

2.1 計算流量系數(shù)需要確定的主要參數(shù)[1]

調(diào)節(jié)閥口徑的選定是否正確,取決于流量、壓差等計算數(shù)據(jù)的準確程度。計算流量系數(shù)需要確定的主要參數(shù)如下：1)要給出以工藝裝置產(chǎn)量的保證值進行物料衡算時采用的流量值Qn或Wn。2)要有工業(yè)裝置的所謂產(chǎn)量的爭取值,此數(shù)據(jù)不能乘以任何系數(shù)。3)要得到為克服干擾,調(diào)節(jié)閥保證通過的動態(tài)最大流量,即計算最大流量。計算最大流量應(yīng)大于穩(wěn)態(tài)最大流量,否則調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能工作。一般可以以穩(wěn)態(tài)最大流量的1.15～1.5倍作為最大計算流量。當無法獲得或者最大流量接近于正常流量時,要求計算最大流量應(yīng)不小于正常流量的1.25倍。4)有時還需要確定最小流量值。最小流量是工業(yè)裝置運行時可能出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)最小流量,但不是閥門的泄露量。5)調(diào)節(jié)閥作為一個可變阻力的部件,必須保證閥上有一定的阻力駐P。6)由于調(diào)節(jié)閥裝在管路系統(tǒng)中,其調(diào)節(jié)作用的好壞還直接和閥阻比S100有關(guān)。S100值越大,調(diào)節(jié)閥流量特性的畸變越小,調(diào)節(jié)閥的性能越能到保障,閥的口徑也較?。坏前殡S閥壓降增大,動力消耗也隨之增大。當S100＜0.3時,直線流量特性將嚴重畸變?yōu)榭扉_特性,等百分比畸變?yōu)橹本€特性,可調(diào)比已顯著減小。在確定計算閥壓降和S100時,計算閥壓降最好是計算最大流量下的閥壓降。應(yīng)盡量避免閥壓降達到一定數(shù)值時產(chǎn)生的空化、氣蝕和發(fā)出的噪音。

2.2 阻塞流及其對流量系數(shù)計算的影響

所謂阻塞流是指當閥前壓力p1保持一定,而逐步降低閥后壓力p2時,流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量會增加到一個最大極限值,達到最大極限值后,再繼續(xù)降低p2,流量不再增加。此時的流動狀態(tài)稱為阻塞流。顯然,形成阻塞流后,流量與駐P=p1-p2的關(guān)系不再遵循C=的規(guī)律。因此,為了精確求得此時的C值,只能把開始產(chǎn)生阻塞流時的閥壓降作為計算閥壓降。對于可壓縮流體,只要根據(jù)制造廠提供各種調(diào)節(jié)閥的XT值,便可將X大于或等于FKXT作為阻塞流的條件,并把P1-(FKXT)=駐Pcr作為駐P代入計算C值的公式,可求得阻塞流的正確流量系數(shù)。對于不可壓縮流體(液體),流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時,其縮流斷面處的壓力Pvc如果小于入口溫度下流體介質(zhì)的飽和蒸氣Pv時,部分液體會發(fā)生相變,形成氣泡,產(chǎn)生閃蒸,若繼續(xù)降低Pvc,流體便會形成阻塞流。此時Pvc用Pvcr表示,Pvcr= FFPv。FF是液體的臨界壓力比系數(shù),它是阻塞流條件下的縮流斷面壓力與閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓力Pv之比,是Pv與液體臨界壓力Pc之比的函數(shù)。可根據(jù)公式FF=0.96-0.28近似確定。為了確定流體狀態(tài),引入一個壓力恢復系數(shù)FL2,當駐P≥FL2(P1-Pvcr)或者 駐P≥FL2(P1-FFPv)成立,則為產(chǎn)生阻塞流[2]。此時,只要以FL2(P1-FFPv)取代駐P代入公式,便可求得正確的流量系數(shù)值。當液體的雷諾數(shù)＜3 500后,流量系數(shù)需要修正。

2.3 Cmax值的求取和調(diào)節(jié)閥口徑的選定

為了正確選定調(diào)節(jié)閥口徑,最關(guān)鍵的是要求得計算最大流量時所需的Cmax。只要Cmax確定,根據(jù)已確定調(diào)節(jié)閥,在該系列調(diào)節(jié)閥額定流量系數(shù)中選取一個不小于并最接近Cmax的值,作為最終選定的流量系數(shù)C100,與此C100相對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥口徑即為最終選定的調(diào)節(jié)閥口徑。計算Cmax值有2個途徑:一是根據(jù)掌握的計算最大流量時的計算數(shù)據(jù)按公式直接求取;另一種是由正常流量條件下的計算數(shù)據(jù)求取正常流量時所需的流量系數(shù)Cn,然后綜合計算最大流量、系統(tǒng)摩擦阻力降等因素,求出Cmax。其中,最大流量時的閥阻比SQmax是求取Cmax的關(guān)鍵,計算它的方法與工藝對象有關(guān)。最大流量時的閥阻比可根據(jù)式(1)計算：

式中：n表示計算最大流量與正常流量之比,Sn是正常流量的閥阻比。

另外,如果調(diào)節(jié)閥裝于風機或離心泵出口,而閥下游有恒壓點的對象,當流量從Qn增大到Qmax時,系統(tǒng)的總壓力降中還要考慮壓頭的損失駐h,則最大流量時的閥阻比可根據(jù)式(2)計算：

最大流量時的閥門流量系數(shù)根據(jù)式(3)計算。

2.4 相對行程與可調(diào)比計算

所謂調(diào)節(jié)閥的行程是指執(zhí)行機構(gòu)為改變閥內(nèi)流量從閥全關(guān)位置起至閥全開位置的位移,以L表示。把閥全開時的行程稱為額定行程L100。相對行程便是某特定行程與額定行程之比,以l表示,即,通常稱為調(diào)節(jié)閥的開度。對于線性調(diào)節(jié)閥其開度近似等于L=對于等百分比特性調(diào)節(jié)閥,在理想可調(diào)比為30時,L=1+0.68 lg

從調(diào)節(jié)效果和經(jīng)濟性出發(fā),正常流量時的相對行程應(yīng)有一個比較理想的范圍,如直線特性調(diào)節(jié)閥的相對行程在0.6左右,等百分比特性調(diào)節(jié)閥的在0.8左右。然而,同時滿足工藝過程的n值和調(diào)節(jié)閥相對行程的最合適位置是很困難的。由于靜態(tài)最大流量是由工藝裝置的最高產(chǎn)量所決定,因此用改變靜態(tài)最大流量的辦法來滿足相對行程的做法不可取。唯一可調(diào)整的是考慮計算最大流量時所取的倍數(shù)(1.15～1.5)[3]。除了考慮對象特性和調(diào)節(jié)規(guī)律等因素外,建議在S100值較高時取較大的倍數(shù),在S100值較低時取較小的倍數(shù)；對于直線特性調(diào)節(jié)閥取較小的倍數(shù),對于等百分比特性調(diào)節(jié)閥取較大的倍數(shù)。在缺乏必要的計算數(shù)據(jù)時,可推薦直線特性調(diào)節(jié)閥取m值為1.63,對等百分比特性調(diào)節(jié)閥取m值為1.97。在n值和S100已確定的情況下只要m值(m=)選取合適,一般可不必進行額定流量時的相對行程驗算。

調(diào)節(jié)閥在實際使用中,由于和它串聯(lián)的管道阻力發(fā)生變化,使調(diào)節(jié)閥的閥壓降隨著流量的變化而變化,調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比也隨之發(fā)生改變。此時的最大流量和最小流量之比稱為工作可調(diào)比,以R表示, R=R0。這說明,S100值越小,實際的工作可調(diào)比越小。因此,為保證一定的可調(diào)比,要適當考慮閥壓降的數(shù)值,使S100值不致過低。

3 調(diào)節(jié)閥口徑計算與開度驗證

對于可壓縮流體,有經(jīng)驗估算、平均重度修正和膨脹系數(shù)修正重度法3種方法求取調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)[4]。但是,由于經(jīng)驗估算法沒有考慮調(diào)節(jié)閥本身的特性,簡單地以調(diào)節(jié)閥前后的差壓與入流處壓力的比值關(guān)系來判定流體的狀態(tài),因此造成的誤差很大。平均重度法和膨脹系數(shù)修正重度法兩者的計算精度相似,都考慮了壓力恢復系數(shù)的影響。不過膨脹系數(shù)修正重度法還引入其他8個新的參數(shù),其中物理參數(shù)4個（K、Pc、Tc、M）,查圖參數(shù)1個（Z）,計算參數(shù)3個（XT、FK、Y）。由于考慮的因素多,精度也更高。但平均重度法的計算簡單,不需要太多的物性參數(shù)和物理參數(shù),使用起來更加方便。以下以韶冶300 kt挖潛技術(shù)改造實踐為例,采用平均重度法對周邊風調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)、口徑進行計算。

韶冶300 kt挖潛技術(shù)改造中,Ⅱ系統(tǒng)鼓風爐的年產(chǎn)量從100 kt/a提高到150 kt/a,主風口風量從42 km3/h提高到45～46 km3/h,由于主風口風量提高,為了保證爐內(nèi)氣流速度符合技術(shù)要求,爐身面積由21.35 m2提高到了28 m2。隨著爐身面積的增加,為了保持爐內(nèi)料面形狀,對加料裝置進行了改進,底鐘直徑由1 345 mm增大到1 830 mm。

由于主風口風量增加,爐內(nèi)熱風流速下降,會增加爐內(nèi)溫度,因此需增大冷卻面積以加大料鐘。料鐘風的主要作用就是冷卻料鐘,在加料時抑制爐內(nèi)熱風外溢。因此,為了保護料鐘,來自常溫冷風管的風量必須增加,已知Qmin=150 m3/h,QN提高到500 m3/h,最大計算流量提高到580 m3/h,P1的絕對壓力為220 kPa,P2的絕對壓力為100 kPa,駐PQmin=60 kPa,駐PQN= 100 kPa,駐PQmin=120 kPa,空氣在標準狀況下的重度取rN=1.29 kg/m3。根據(jù)工藝要求選取單座球閥。

第1步,查得FL=0.55。第2步,駐PQmin/P1=0.6/2.2= 0.27,0.5FL2=0.5×0.552=0.15。0.27＞0.15，所以流體在最小流量至最大計算流量時皆是阻塞流。第3步,采用阻塞流公式計算Kvmin與Kvmax。

根據(jù)Kvmax=28.72,查上海科迪儀表有限公司的ZMAP/ZMBP氣動薄膜調(diào)節(jié)閥線性特性調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)得DN=50 mm,dg=50 mm,Kv=44。

因調(diào)節(jié)閥采用線性特性調(diào)節(jié)閥,所以采用線性驗算公式,驗算如下：

由計算可知,Kmax＜90%,且Kmin＞10%,所以Kv=44驗算合格。

選取的調(diào)節(jié)閥的理論可調(diào)比為30,該調(diào)節(jié)閥的閥阻比為0.3,所以實際可調(diào)比為：

因為R實＞，所以可調(diào)比驗算合格。

4 結(jié)論

從工藝描述可知,該調(diào)節(jié)系統(tǒng)處在比較適宜的工作環(huán)境,不存在腐蝕性、高溫、高壓的介質(zhì)。閥門前后的壓差也不大,對閥門的密封面不會造嚴重拉傷,在瞬間開關(guān)時,難見堵卡現(xiàn)象。工藝要求調(diào)節(jié)閥能快速反應(yīng),實際的應(yīng)用中,直線特性的調(diào)節(jié)閥表現(xiàn)出了類似快開的特性:在低開度時風量增加很快,當閥門開度達到70%左右時,開度再增加,調(diào)節(jié)閥的輸出風量增加不再顯著變化。調(diào)節(jié)閥的這種特性正合適迅速降溫的需求。綜上所述和實際應(yīng)用的情況,該調(diào)節(jié)閥能實現(xiàn)工藝的目的。

[1] 陸德明.石油化工自動控制手冊[M].3版.北京:化學工業(yè)出版社,2013.

[2] 楊紀偉.調(diào)節(jié)閥流量關(guān)系變形特性分析[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

[3] 付衛(wèi)東,等.調(diào)節(jié)閥流量的計算方法[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

[4] 謝云山,劉建領(lǐng),趙鐘榮.調(diào)節(jié)閥的選型設(shè)計要點[J].自動化與儀器儀表,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

徐坤龍(1973—),男,工程師,主要從事現(xiàn)場儀表管理工作。