楊海河

(中國(guó)石油化工股份有限公司 濟(jì)南分公司, 山東 濟(jì)南 250101)

一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、測(cè)量裝置、調(diào)節(jié)器和控制閥等環(huán)節(jié)組成,控制閥是由動(dòng)力操作裝置形成的終端執(zhí)行元件,是工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵組成部分。對(duì)于具有高溫、高壓、易燃、易爆、劇毒、腐蝕等特性的石油和化工工藝,控制閥的選型或使用不當(dāng),會(huì)給生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化帶來(lái)困難,導(dǎo)致調(diào)節(jié)品質(zhì)下降[1-3]。

控制閥有很多類型,套筒(籠式)控制閥結(jié)構(gòu)如圖1所示,在閥芯外設(shè)有一個(gè)套筒,套筒上有一個(gè)一定流量特性的開(kāi)孔,閥芯在套筒內(nèi)移動(dòng),通過(guò)改變套筒上的開(kāi)孔截面積調(diào)節(jié)流量。由于套筒(籠式)控制閥閥芯是壓力平衡型的結(jié)構(gòu),在較高壓力和壓差下運(yùn)行平穩(wěn),精度又比較高,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,拆裝方便,通用性強(qiáng),從而被廣泛使用[4-5]。

圖1 套筒(籠式)控制閥結(jié)構(gòu)示意

在控制閥公稱通徑確定的情況下,為了使該口徑控制閥具有更廣泛的調(diào)節(jié)范圍,往往會(huì)使用縮腔型的設(shè)計(jì),即閥芯尺寸小于公稱通徑。

閥芯實(shí)際尺寸等于或大于公稱通徑的時(shí)候,稱之為全腔型,閥芯實(shí)際尺寸小于公稱通徑時(shí),稱之為縮腔型,如此相同的閥芯尺寸會(huì)對(duì)應(yīng)不同的公稱通徑。例如,當(dāng)閥芯尺寸為100 mm時(shí),公稱通徑可以對(duì)應(yīng)DN100或DN150,甚至可以對(duì)應(yīng)更多的公稱通徑。

目前,常用縮腔型套筒閥有兩種形式： 一是套筒縮腔型,在同一公稱通徑下,縮腔型和全腔型的閥芯尺寸、行程相同,縮腔型借用全腔型的閥芯、閥座、密封環(huán),只是縮腔型套筒窗口面積(流通面積)小于全腔型窗口面積;二是閥芯縮腔型,這種縮腔型采用了小一檔閥芯尺寸的閥芯、套筒、密封環(huán)。閥芯縮腔型設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是縮腔型套筒閥與小一檔的套筒、閥芯和密封環(huán)通用;閥芯與密封環(huán)的摩擦力、閥芯受到的動(dòng)不平衡力、閥芯對(duì)閥座需要的壓緊力都會(huì)減小,套筒和閥座分配的壓降也比較均衡。缺點(diǎn)是縮腔型和全腔型行程可能不同,更換閥內(nèi)件時(shí)需要更改執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1 套筒控制閥額定CV值

1.1 控制閥的流量系數(shù)C

控制閥的流量系數(shù)C是控制閥在某些特定的條件下,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)流體的體積或質(zhì)量?？刂崎y全開(kāi)時(shí)的流量系數(shù)稱為額定流量系數(shù),是表示控制閥的流通能力的參數(shù)。由于采用單位制的不同,不同流量系數(shù)表示為C,CV,KV,其定義如下：

1)C——在給定行程下,閥兩端差壓為98 kPa,每小時(shí)流經(jīng)控制閥的溫度為5～40 ℃的水(m3),工程單位制(MKS)的流量系數(shù)。

2)CV——在給定行程下,閥兩端差壓為6.89 kPa,每分鐘流經(jīng)控制閥的溫度為16 ℃的水(USgal),英制單位的流量系數(shù)。

3)KV——在給定行程下,閥兩端差壓為100 kPa,每小時(shí)流經(jīng)控制閥的溫度為5～40 ℃的水(m3),國(guó)際單位制(SI)的流量系數(shù),中國(guó)推薦使用。

三者之間換算關(guān)系為：CV=1.167C,KV=1.01C。

在選型中,為了使控制閥得到良好的調(diào)節(jié)性能,需要對(duì)工況下的流量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,將操作工況下的控制閥開(kāi)度置于最佳的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi),結(jié)合額定流量系數(shù)選擇合適口徑的控制閥[1,6]。

1.2 套筒閥額定CV值數(shù)模計(jì)算

由于套筒閥經(jīng)過(guò)套筒和閥座處兩次節(jié)流,套筒閥的CV值計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：CVb——閥門流道的流通能力,一般按照閥體型腔流道最小尺寸來(lái)計(jì)算,即閥體流道和閥座內(nèi)徑按小的來(lái)計(jì)算;CVc——套筒的流通能力,和套筒的窗口面積有關(guān)。

(2)

CVc=AKc

(3)

式中：Kb——各類閥型流通能力系數(shù),不同類型的閥型流通能力系數(shù)都不同;Kc——套筒的流通能力系數(shù),普通窗口式套筒、多孔式套筒、不同降壓級(jí)數(shù)的迷宮式套筒因?yàn)榱髯璨煌鳮c不同;A——套筒的流通面積。

2 縮腔型套筒閥的額定CV數(shù)模計(jì)算分析

2.1 套筒縮腔型

結(jié)合常用的某些產(chǎn)品,對(duì)比和分析套筒控制閥的流通能力,表1是某縮腔型套筒閥的額定CV值與公稱通徑、閥芯尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系,流量特性是等百分比特性。

表1 某縮腔型套筒閥的額定CV值與公稱通徑、閥芯尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系

按照套筒閥額定CV數(shù)模計(jì)算式(2)可得：

式中：CVb1——DN100×dn100閥門流道流通能力;CVb2——DN150×dn100和DN150×dn150閥門流道流通能力;Kb1——DN100×dn100閥門流通能力系數(shù);Kb2——DN100×dn100和DN150×dn150閥門流通能力系數(shù)。

根據(jù)式(1)可以得出：

(4)

從表1可知：DN150×dn100閥門和DN100×dn100閥門的額定CV值是相同的,CV2=CV1=175,DN150×dn150閥門的額定CV值CV3=360,這幾種閥門CVc按照公式(4)計(jì)算如下：

(5)

(6)

(7)

式中：CVc1——DN100×dn100閥門套筒流通能力;CVc2——DN150×dn100閥門套筒流通能力;CVc3——DN150×dn150閥門套筒流通能力;Kb3——DN150×dn150閥門的流通能力系數(shù)。

假設(shè)Kb1=Kb2=Kb3,根據(jù)式(5)～式(7)計(jì)算結(jié)果可知：CVc2

圖2 三種閥套筒窗口大小示意

從上述分析可知,相同額定CV值下,縮腔型套筒的流通能力較小,縮腔型套筒壓力大部分損失在套筒上,壓差較高時(shí),對(duì)套筒的沖刷比較嚴(yán)重,閥芯尺寸大,閥芯與密封環(huán)摩擦力、閥芯對(duì)閥座需要的壓緊力也比較大。但套筒縮腔型設(shè)計(jì)也有優(yōu)點(diǎn),如DN150×dn100縮腔型的閥芯、閥桿、閥座、密封環(huán)和DN150×dn150全腔型通用,行程相同,從DN150×dn150更換成DN150×dn100,僅需要更換全腔型套筒為縮腔型套筒,執(zhí)行機(jī)構(gòu)也無(wú)需更換,互換性比較好,目前國(guó)內(nèi)套筒控制閥產(chǎn)品很多采用這種設(shè)計(jì)。

2.2 閥芯縮腔型

表2是某閥芯縮腔型套筒閥的額定CV值與公稱通徑和閥芯尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 某閥芯縮腔型套筒閥的額定CV值與公稱通徑和閥芯尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表2可知,DN150×dn100通用了DN100×dn100的閥芯、套筒,因此,縮腔型DN150×dn100和全腔型DN100×dn100的套筒窗口面積、套筒流通能力是相同的,即CVc2=CVc1,由式(3)計(jì)算得出：

CVc=A×Kc=278.927 2

由式(2)計(jì)算得出：

再根據(jù)式(1)計(jì)算可得：CV2=244,CV1=208。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知DN150×dn100縮腔型和DN100×dn100全腔型的CVb是不同的,縮腔型套筒閥DN150×dn100采用與DN100×dn100同尺寸的套筒、閥芯,但CV2的流通能力比CV1大了17%以上。這就是縮腔型套筒閥CV計(jì)算、選型存在的誤區(qū)。

3 縮腔型套筒閥流通能力的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證縮腔型套筒閥比同閥芯尺寸的全腔型套筒閥流通能力大較多,某制造商聯(lián)合一些大學(xué)及檢驗(yàn)測(cè)試機(jī)構(gòu)對(duì)DN150×dn100縮腔型套筒閥和DN100×dn100全腔型套筒閥做了CFD流體分析和流量試驗(yàn),并與數(shù)模理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表3,表4所列。

表3 DN100×dn100閥芯縮腔型套筒閥的額定CV值比較

表4 DN150×dn100閥芯縮腔型套筒閥的額定CV值比較

表3中DN100×dn100套筒閥流量試驗(yàn)CV=197.1,CFD流體分析CV=194.9,按照數(shù)模理論計(jì)算CV=208.2,取額定CV=200,與流量試驗(yàn)所得的CV值偏差在5%以內(nèi),符合GB/T 4213《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》[7]的要求。

DN100×dn100套筒閥流量試驗(yàn)的流量特性曲線與CFD分析的流量特性曲線、數(shù)模理論計(jì)算的流量特性曲線對(duì)比如圖3所示,從圖3中曲線可以看出,三者也是高度接近,誤差較小。

圖3 DN100×dn100閥芯縮腔型套筒閥的流量特性曲線比較示意

表4中DN150×dn100套筒閥流量試驗(yàn)CV=236.9,CFD流體分析CV=249.7,按照數(shù)模理論計(jì)算CV=244.2,取額定CV=245,與流量測(cè)試的要求的CV值偏差在5%以內(nèi),符合GB/T 4213的要求。

DN150×dn100套筒閥流量試驗(yàn)的流量特性曲線與CFD分析的流量特性曲線、數(shù)模理論計(jì)算的流量特性曲線對(duì)比如圖4所示,由圖4特性曲線比較可知,三者也是高度接近,誤差較小。

圖4 DN150×dn100閥芯縮腔型套筒閥的流量特性曲線比較示意

取數(shù)模理論計(jì)算CV值,CFD流體分析CV值,流量試驗(yàn)CV值的平均值得到額定CV值,DN150×dn100套筒閥的額定CV=245,DN100×dn100套筒閥的額定CV=200,兩者相差了22.5%,驗(yàn)證了縮腔型套筒閥比同閥芯尺寸的全腔型套筒閥流通能力大較多,也說(shuō)明縮腔型套筒閥CV計(jì)算、選型存在一定的誤區(qū)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述分析可知,閥芯縮腔型套筒閥中采用小一檔的套筒和閥芯,而額定CV值仍與小一檔的同尺寸閥芯的相同,會(huì)導(dǎo)致套筒閥產(chǎn)品選型存在一定的誤區(qū)。如果按照理論計(jì)算選用的縮腔型套筒閥開(kāi)度比較小,會(huì)導(dǎo)致控制閥實(shí)際工作在更小或者很小的開(kāi)度,使控制閥調(diào)節(jié)性能變差。目前國(guó)內(nèi)外較多閥芯縮腔型套筒閥產(chǎn)品存在該類問(wèn)題,希望存在該問(wèn)題的產(chǎn)品完善修改選型樣本,以便指導(dǎo)用戶更好計(jì)算選型,確保控制閥獲得更好的相對(duì)開(kāi)度,保證生產(chǎn)過(guò)程的控制效果。