（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(duì)渤海某海上采油平臺(tái)控制閥的實(shí)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(jì)算公式的應(yīng)用。最后給出了控制閥參數(shù)選取及手工計(jì)算的實(shí)例并利用InstruCalc軟件進(jìn)行驗(yàn)算。

   關(guān)鍵字：控制閥；閥門選型；閥門計(jì)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(dòng)化控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它被稱之為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的“手足”，正確選擇控制閥是確保系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

   控制閥選型時(shí)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(jí)；過(guò)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(lái)說(shuō)，選型原則可以歸納為以下幾點(diǎn)：

    （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(duì)象特點(diǎn)，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(jì)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(jī)構(gòu)（氣動(dòng)、電動(dòng)或液動(dòng)）； 

    （5）根據(jù)工藝過(guò)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(tái)基本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，根據(jù)工藝要求，共設(shè)置控制閥共39個(gè)，主要應(yīng)用在測(cè)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(guò)改變流體流量調(diào)節(jié)被控對(duì)象的壓力、溫度、液位。

    2 計(jì)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(shuō)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(shí)，單位時(shí)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(shí)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(tái)上，工藝參數(shù)都采用國(guó)際單位制，而控制閥產(chǎn)品多采用英制，因此本論文采用國(guó)際單位制流量系數(shù) 進(jìn)行控制閥計(jì)算，通過(guò) 進(jìn)行閥門選型。 與 換算關(guān)系為： 
   
       C_V=1.156K_V  

    對(duì)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(cè)流體體積流量， ；

     Ρ——流經(jīng)閥的流體密度， ；

     Ρ_w—— 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(jì)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(dòng)狀態(tài)或閥兩端與工藝管道間裝有過(guò)渡管件時(shí)，要對(duì)公式（1）作進(jìn)一步修正。
  當(dāng)流體在閥內(nèi)形成阻塞流時(shí)，控制閥的流量系數(shù) 應(yīng)該按照公式（2）計(jì)算： 

    （2）

    其中，

     P₁ ——閥進(jìn)口壓力，bar；

     P_v ——飽和蒸氣壓力，bar；

     F_L ——壓力恢復(fù)系數(shù)；

      F_F——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(gè)用來(lái)表明流體在管道內(nèi)流體狀態(tài)的無(wú)量綱數(shù)。對(duì)于只有一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(duì)于雷諾數(shù)偏低的流體在 值計(jì)算時(shí)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(cè)的雷諾數(shù)修正系數(shù)曲線圖中查得。

   2.2控制閥口徑計(jì)算流程

      a）計(jì)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（Q_max ）、正常工作流量（ Q_nor）、最小工作流量（ Q_min ）、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(shí)際情況對(duì)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(jì)算最大工作流量工況下的流量系數(shù) K_vmax，進(jìn)而得到 C_vmax；反之，為阻塞流，按照公式（2）計(jì)算最大工作流量工況下的流量系數(shù) K_vmax ，進(jìn)而得到 C_vmax 。

      c）低雷諾數(shù)修正。根據(jù)公式（3）求取雷諾數(shù)R_e ，若 R_e ≧3500，不需要進(jìn)行低雷諾數(shù)修改，步驟b）中計(jì)算出的流量系數(shù)即為所求； 若 ， R_e <3500,需要進(jìn)行低雷諾數(shù)修正，按照公式（4）對(duì)流量系數(shù)進(jìn)行修正。

    d）控制閥口徑的選定。根據(jù)已計(jì)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 C_vmax  并與其接近的一檔額定流量系數(shù) C₁₀₀（即閥全開時(shí)的流量系數(shù)），從控制閥參數(shù)規(guī)格表中查得 C₁₀₀ 對(duì)應(yīng)的閥門口徑。

    e）開度驗(yàn)算。把正常工作流量（ Q_nor ）、最小工作流量（ Q_min ）按照上述步驟進(jìn)行計(jì)算，分別求得 Q_nor 、 Q_min  。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)，如果最大工作流量工況下閥開度（C_max / C₁₀₀ ）位于70~90%之間、正常工作流量工況下閥開度（C_nor / C₁₀₀ ）位于30%~70%之間、最小工作流量工況下閥開度（C_min/ 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(jì)算案例

    下面以渤海某平臺(tái)基本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中工藝閥門LV-2013為例，介紹進(jìn)行控制閥口徑計(jì)算的過(guò)程。

    如圖1所示，液位控制閥LV-2013為氣動(dòng)直線型單座閥，安裝在一級(jí)分離器CEPA-V-2001的油相出口管線上，通過(guò)調(diào)節(jié)出口流量達(dá)到控制一級(jí)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(jiàn)表2。
    
              
                      圖1 一級(jí)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(jì)算步驟進(jìn)行計(jì)算：

    a）計(jì)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(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
最大工作流量（ Q_max ）的確定：由于控制閥制造時(shí)存在一定的誤差，從穩(wěn)妥考慮，控制閥計(jì)算中需要用到的最大工作流量（ Q_max ）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(yàn)，一般取“穩(wěn)態(tài)最大流量”的1.15～1.5倍作為最大流量（ Q_max ）取值，本項(xiàng)目中，選取倍數(shù)為1.3，所以有 。正常工作流量（ Q_nor ）、最小工作流量（ Q_min ）可以直接使用表2中取值，即 Q_nor =90m³  /h， Q_min =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(lái)說(shuō)，要根據(jù)管路流體流量、流體粘度、直管段長(zhǎng)度、彎頭、手動(dòng)閥、漸縮管等參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算才能得到閥壓降（ ΔΡ ）值。為簡(jiǎn)化計(jì)算，工程設(shè)計(jì)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(xiàng)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-F_FP_V)=0.9²(4-0.93X3)=0.98bar代入計(jì)算得 ，則有 ，所以流體狀態(tài)為非阻塞流，應(yīng)按照公式

   （1）計(jì)算流量系數(shù)K_vmax 。
  
    

    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(jì)算出的最大工作流量工況下的流量系數(shù)C_vmax=1.156K_vmax=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(duì)應(yīng)的閥門口徑為6 in。

    e）開度驗(yàn)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： C_vnor=169.59 ， V_vmin=65.39 。

      最大工作流量工況下閥開度：  C_vmax  /  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(yàn)證

    InstruCalc軟件是做儀表閥門工程計(jì)算常用軟件，控制閥閥門口徑計(jì)算模塊人機(jī)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?yàn)檩敵鰯?shù)據(jù)；“Valve Rated Data”為根據(jù)計(jì)算結(jié)果選定的閥型及相關(guān)閥門參數(shù)。

    本項(xiàng)目中進(jìn)行控制閥口徑計(jì)算采用的就是InstruCalc軟件，現(xiàn)利用此軟件對(duì)手工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(jì)算的3種工況下 值分別是280.54、169.65、67.608，與本論文手工計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文控制閥口徑手工計(jì)算結(jié)果的合理性。
     
                 
                    圖2 InstruCalc 控制閥口徑計(jì)算模塊界面

   3 結(jié)束語(yǔ)

     本論文以渤海某平臺(tái)基本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中控制閥計(jì)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(jì)算方法。閥門計(jì)算結(jié)果正確與否，很大程度上取決于最大工作流量（Q_max ）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(duì)象的特點(diǎn)、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(jì)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(jì)院中一般采用專門的軟件進(jìn)行計(jì)算。在今后的工作中，可以將手工計(jì)算與軟件計(jì)算相結(jié)合，兩者互相驗(yàn)證，提高計(jì)算結(jié)果的可靠性。

   參考文獻(xiàn)：

   [1] 陸德民,張振基,黃步余．石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）[M]．化學(xué)工業(yè)出版社，2009：905-975

   [2] 邱宣振,周晶．控制閥流量系數(shù)的定義演變及換算推導(dǎo)[J]．石油化工自動(dòng)化，2009，(6)：57-58

   [3] ANSI/ISA 75.01.01-2002，F(xiàn)low Equations for Sizing Control Valves.

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第三期