调节阀流量系数的影响因素及其工程应用    调节阀流量系数的影响

车荣杰

(中石化石油工程设计有限公司)

摘要：  调节阀口径的选择直接影响着工艺生产的正常运行以及质量控制。结合ISA规范，从理论上叙述了调节阀口径的选择原则及流量系数CV的计算过程，得出了不同工况下影响调节阀CV值的主要因素；针对计算过程，阐述了数字化集成设计系统中调节阀数据表填写的注意事项。结合工程项目中调节阀的选型实例，验证了CV值计算原则。结果表明：阐述的影响因素对调节阀CV值的计算结果起主要作用，简化公式能较好地估算CV值。

关键词：流量系数  调节阀 口径偏差 阻塞流 体积流量

在自控工程设计中，确定调节阀的口径是调节阀选型的重要内容之一。调节阀口径选择的合适与否，直接关系到工艺操作能否正常运行、系统控制质量的优劣、企业的经济效益等。

确定调节阀的口径时，需要依据工艺专业设计人员所提供的流体最大流量、最大流量下的最小压差、介质特性等计算出调节阀全开时的流量系数CV，经过圆整后，从产品手册中查取额定CV值，进而得到调节阀的公称直径。因此，选择调节阀的口径，首要工作是确定CV值。目前，在设计过程中，调节阀的计算选型基本由阀门生产厂家完成，许多设计人员仍不太了解调节阀CV值的计算原理，对一些影响因素理解的也不透彻。本文结合ISA规范，阐述了CV值计算的推导步骤，从而得出了影响CV值的主要因素，以期对设计人员有所启迪。

1流量系数

CV是特定流体在特定温度下，当调节阀两端为单位压差时，单位时间内流经调节阀的流体体积数。一般通用的还有国际单位制(SI制)的KV和工程单位制(MSK制)的C，定义方法类似，只是单位不同，三者之间存在如下换算关系： CV≈1.17C， KV≈1.01C，KV≈0.865CV，以下统一用CV进行探讨。

CV也称流通能力，由上述定义可知： 它反映了调节阀容量的大小。实际上，根据CV值的大小就可以确定调节阀的公称直径。因此，要合理地选取调节阀的尺寸，就应该正确地计算调节阀的CV值。如CV选择过大，将使阀门工作在小开度位置，导致调节质量不好，而且此时流体对阀芯、阀座的冲蚀严重；如果CV选择过小，即使阀门工作在全开位置也不能适应最大流量的需要，从而导致工艺操作不能正常进行。理想情况下，以液体介质为例，流过调节阀的流量与阀前后压差、流通面积之间的关系为^［1］

qV=(A/ε)2(p1－p2)/ρ=

(A/ε)(3600/10000)2×1000Δp/ρ=16.1(A/ε)Δp/ρ(1)

式中： qV——液体体积流量；A——流通面积；p1——阀前压力；p2——阀后压力；Δp——阀前后压差；ρ——介质密度；ε——调节阀的阻力系数，与阀的开度有关。

式(1)是实际使用的调节阀体积流量计算方程，qV随ε而变化。当阀的开度增大时，ε减小，qV增大；反之，qV减小。

根据CV的定义，CV可看作qV在调节阀全开时的额定值，将Δp=100kPa，ρ=1000kg/m3代入式(1)，这样可导出： qV=CV10Δp/ρ进一步导出CV值与流量和差压之间的关系： CV=qVρ/10Δp(2)由式(2)可以看出，调节阀口径的选定是否正确，很大程度上取决于流量、差压等计算数据的准确程度。因此，在计算CV值前，需要自控与工艺设计人员密切沟通合作，尽可能准确、详细地掌握主要工艺参数，计算CV值的大小。

2阻塞流

式(2)成立的前提条件是调节阀前后的流体密度保持不变、Δp较小，此时流体的体积流量和压差的平方根成正比。如果流体经过节流后的某处，其压力低于流体的饱和蒸气压时，说明部分液体气化形成了蒸气泡，使流体的体积流量与压差平方根成正比的关系被破坏，导致式(2)不再成立。

如果保持p1一定，而逐步降低p2时，流经调节阀的流体体积流量随压差逐渐增大，当增大到qVmax后，再继续降低p2时，流体体积流量将不再增大，该极限流量就是阻塞流。阻塞流示意如图1所示，当阻塞流形成后，qV与Δp的线性关系不再成立，阻塞流压差的计算可参照ISA75.01.01—2012 IndustrialProcess Control ValvesPart 21： Flow CapacitySizing Equations for Fluid Flow Under Installed Conditions 6.2.2节。

将形成阻塞流时调节阀前后的压差记为Δpcr，当Δp＜Δpcr时，曲线的斜率即为流量系数的直接反映。当Δp≥Δpcr时，实际流量仍为qVmax，若仍按式(2)的Δp计算CV值，就会出现较大的偏差，计算的CV值偏小；此时应将Δpcr作为计算值，才能正确计算出实际的CV值。

3压力恢复系数

判断是否出现了阻塞流，需要参考压力恢复系数FL。流体在受到节流时，流速增加、静压降低，节流口后流通截面并不立即扩大，而是继续缩小至最小截面，称为缩流处。在缩流处后，流通截面扩大、流速减慢，静压又开始回升。由于能量损失，此时p2＜p1，缩流处的静压以pvc表示，实验证明pvc与p2有关。FL的定义为： FL=(p1－p2)/(p1－pvc)，FL是与阀形有关的常数，具体数值见ISA75.01.01—2012附表D.2。FL越小，阀的恢复能力越强，比如球阀、蝶阀流路好，流阻小，称为高压力恢复阀；FL越大，压力恢复能力越差，比如单座阀和双座阀，称为低压力恢复阀。

对不可压缩流体，在流经调节阀时压力变化状况如图2所示。由FL的定义得：缩流处静压pvc=p1－Δp/F2L，以下分三种情况讨论pvc对流体体积流量的影响。

1) pvc＞pv。如图2中曲线a，pv为流体入口处的饱和蒸气压，此时没有出现介质气化的现象，qV∝Δp成立。

2) pvc≤pv。如图2中曲线b，该情况下pvc在pv附近，流体沿管道流动，当静压低于饱和蒸气压时，流体会在瞬间气化，产生大量气泡，即闪蒸。轻微闪蒸不影响介质，qV∝Δp，也不会损坏阀；但流体继续向下游流动，若静压恢复到饱和蒸气压以上，就会导致气泡破裂，即空化。空化过程会产生强烈振动和噪声，冲击阀芯、阀座及附近管道，导致阀的损坏，这种破坏作用称为气蚀。由于气蚀会对阀造成很大的损坏，因而在调节阀的使用中必须设法防止气蚀的产生。

3) pvcpv。如图2中曲线c，pvc明显低于pv，即pvc＜FFpv，这时会产生大量气化，严重影响流量，即出现阻塞流状态。FF为液体临界压力系数： FF=0.96－0.28pv/pC，pC为液体的热力学临界压力。常用工艺流体的pC见表1所列。

由上面的分析可以看到，根据pvc就可以判断是否出现了阻塞流，但由于pvc很难准确测得，一般需通过判断Δp的大小来确定阻塞流是否出现，通过公式pvc=p1－Δp/F2L及pvc＜FFpv的变换，可得到阻塞流出现的条件：Δp＞F2L(p1－FFpv)，若条件成立，则出现了阻塞流。出现阻塞流后，qV∝Δp关系不再成立，这时CV的计算应将Δp换成F2L(p1－FFpv)，即临界压差Δpc。

4流量系数的计算

根据介质情况，下面分液体介质和气体介质两种常见的介质讨论。

4.1液体介质流量系数的计算

介质为液体时，CV的计算分低黏度的一般液体和高黏度液体两种情况。

4.1.1低黏度液体

低黏度液体CV值的计算：

1) 当Δp<Δpc时，为非阻塞流，CV=qVρ/(10Δp)。

2) 当Δp≥Δpc时，为阻塞流，CV值的计算用Δpc代替Δp，Δpc=F2L(p1－FFpv)，则CV=qVρ/(10Δpc)。

4.1.2高黏度液体

当液体动力黏度大于20mPa·s时，因为黏度过高，将影响流体的流动状态。该情况下CV值的计算步骤如下：

1) 按一般液体计算CV。

2) 根据阀的结构，计算雷诺数Re，再通过Re与FR的对应关系^［2］，查得FR；FR为黏度修正系数。

3) 根据公式C′V=CV/FR，求出实际流量系数C′V。

4.2气体流量系数的计算

气体介质CV的计算也分阻塞流和非阻塞流两种情况，计算前首先要判断气体介质工况是否发生了阻塞流。

1)   当Δp/p1时，为非阻塞流。FK为气体的比热比系数，FK=K/1.4，K为气体的绝热系数；XT为临界压差比系数，XT=0.84FL。非阻塞流气体CV值的计算公式：

CV=(qVN/5.19p1Y)(T1ρNZ)/(Δp/p1)(3)

式中： Y——膨胀系数，Y=1－(Δp/p1)/3FKXT；Z——压缩因子；T1——入口处绝对温度；qVN——气体标准状态下的体积流量；ρN——气体标准状态下的密度。

2)   Δp/p1≥FKXT时为阻塞流。CV值的计算公式：

CV=(qVN/2.96p1)T1ρNZ/KXT(4)

本节提到的典型阀门各系数值见ISA75.01.01—2012附表D.2，详细的调节阀计算步骤见该标准附录B。

5仪表工艺数据表中调节阀填写注意事项

在数字化集成系统SmartPlant软件中，八类仪表的工艺参数可以通过工艺仪表数据表(IPD)经集成设计平台(SPF)传递给自控设计软件(SPI)。自控设计人员只需在SPI端接收工艺参数即可开展自控设计工作。在这八类IPD中，调节阀的IPD是需要填写工艺参数最多的一种，调节阀IPD中主要工艺参数包括：介质状态、体积流量、上游压力、阀门前后压差、温度、动力黏度、密度、气体压缩因子、气体绝热系数、液体饱和蒸气压、液体临界压力、相对分子质量等。

结合前面几节介绍的内容，讨论各工艺参数对调节阀CV值计算的影响。

1) 介质状态是所有介质必填项，在数据传递时，接收完介质状态信息，SPI端会自动创建工艺数据表(PD)。

2) 由式(2)可以看出，体积流量、阀门前后压差、密度是必要参数，所有工况下这些参数工艺专业人员均要提供。

3) 由第3节可以看出，液体饱和蒸气压和液体临界压力是判断液体介质是否出现阻塞流的必要参数，对于液体介质，液体饱和蒸气压和临界压力是必填项。

4) 由4.1节可以看出，动力黏度对液体介质CV值的计算有影响，对液体介质，动力黏度是必填项。

5) 由式(3)可以看出，气体压缩因子和绝热系数是计算气体介质CV值的必要参数。

6数字化集成项目调节阀口径选型案例

孟加拉某天然气硅胶脱水处理厂再生气加热炉将经过换热器预加热后的再生气进行再加热，以供再生塔使用。预加热后的再生气分两路，视温度情况，一部分进入加热炉加热，另一部分不经加热炉直接进入再生塔。两路气量的调节通过出口温度控制阀TV0431实现。天然气硅胶脱水处理工艺流程如图3所示。

SPI端通过Foundation接收完IPD数据后，就可以利用SPI自带的计算模块进行调节阀选型计算。通过4.2节介绍，对于控制阀TV0431按单座阀考虑，代入工艺数据后Δp/p1，即为非阻塞流情况。为了对该计算结果进行验证，笔者用吴忠仪表股份有限公司调节阀选型计算软件和文中所述简化公式对同一个阀门进行了计算，三种方法的计算结果见表2所列。

由表2可以看出，两种计算软件CV值的计算结果基本一致，两种计算方式都是基于ISA75.01.01—2012的计算方法，这是目前调节阀的主流计算方法；而文中所述简化公式的计算结果略小，这与公式进行了一定简化有关，但该结果并不影响对CV值的估算。由于工艺稳态最大流量已经接近于正常流量的1.5倍左右，在上述计算过程中，笔者将工艺稳态最大流量与计算最大流量约定为等值。

根据计算出的最大CV值，结合阀门生产厂家相应系列的控制阀选型资料，从对应的产品标准系列中选取额定CV值，该额定CV值与计算结果数值相近，且不小于该计算值。与该CV值相对应的调节阀口径，即为初选口径。需要说明的是：调节阀选定时，必须对可调比、开度和噪声等进行验算，最终才能确定调节阀口径，例如调节阀的工作开度以30%～80%为宜。一般调节阀的CV值应能使阀门满足表3的开度要求^［3］。

流量阀门开度线性阀等百分比阀最大值8090最小值1030在许多情况下，选择的调节阀口径会比工艺管道口径小一级或两级，通常存在以下两种情况：

1) 选用与管径一样大小的调节阀，但用小口径的阀内件，如DN50的阀门选用阀座直径为DN25的阀内件。

2) 选用计算后得出的小口径的调节阀，用异径头变径后与管道相连。

7 结束语

调节阀口径的确定是非常细致的工作，不仅要有扎实的专业理论知识，还要有丰富的实践经验。为了正确地选择调节阀，必须根据介质、压力、流量、温度等工况参数计算调节阀CV值，并以计算结果为基础，选择合适的公称通径。在项目设计过程中，很多设计人员尤其是工艺人员不太清楚各工艺参数对调节阀选型的影响，在互提参数时，通常工艺参数提的不准确。本文基于ISA规范，从计算原理出发，分工况阐述了各工艺参数对计算结果的影响，并利用工程项目实例进行了验证，对于工艺和自控人员进行调节阀选型设计具有一定的指导意义。

参考文献：略。

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