（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(shí)際應用情況，結合目前控制閥的行業(yè)標準，討論了控制閥選型原則和不可壓縮流體閥門(mén)計算公式的應用。最后給出了控制閥參數選取及手工計算的實(shí)例并利用InstruCalc軟件進(jìn)行驗算。

   關(guān)鍵字：控制閥；閥門(mén)選型；閥門(mén)計算；流量系數 

   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(chēng)調節閥，是組成工業(yè)自動(dòng)化控制系統中的一個(gè)重要環(huán)節，它被稱(chēng)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穩定、正常運行的關(guān)鍵。

   控制閥選型時(shí)要綜合考慮以下因素：流體的類(lèi)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(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）根據工藝條件，選擇合適的控制閥結構形式（球閥、角閥、蝶閥等）和材質(zhì)（鑄鋼、不銹鋼或襯里）；

    （2）根據被控對象特點(diǎn)，選擇合理的流量特性（直線(xiàn)、等百分比、快開(kāi)）及流量特性（流開(kāi)、流閉）；

    （3）根據工藝參數，計算出合理的閥門(mén)口徑；

    （4）根據具體情況選擇合適的執行機構（氣動(dòng)、電動(dòng)或液動(dòng)）； 

    （5）根據工藝過(guò)程控制的要求，選擇合適的輔助裝置（密封填料、閥門(mén)定位器、手輪等）。

   渤海某平臺基本設計項目中，根據工藝要求，共設置控制閥共39個(gè)，主要應用在測試/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(xiàn)上，通過(guò)改變流體流量調節被控對象的壓力、溫度、液位。

    2 計算原理及案例

    2.1流量系數

    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的確定。流量系數是用于說(shuō)明規定條件下控制閥流通能力的基本系數，一般指特定流體在特定溫度下，當閥兩端為單位壓差時(shí)，單位時(shí)間內流經(jīng)調節閥的體積數。采用不同的單位制時(shí)流量系數有不同的表達式，流量系數定義如表1所示。

                           表1 流量系數的定義
               
 
      由于該海上平臺上，工藝參數都采用國際單位制，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 進(jìn)行控制閥計算，通過(guò) 進(jìn)行閥門(mén)選型。 與 換算關(guān)系為： 
   
       C_V=1.156K_V  

    對于不可壓縮流體，流量系數 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， ；

     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計算的基本原理公式。當流體在閥內行程阻塞流（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)，要對公式（1）作進(jìn)一步修正。
  當流體在閥內形成阻塞流時(shí)，控制閥的流量系數 應該按照公式（2）計算： 

    （2）

    其中，

     P₁ ——閥進(jìn)口壓力，bar；

     P_v ——飽和蒸氣壓力，bar；

     F_L ——壓力恢復系數；

      F_F——液體臨界壓力比系數；

      N₁——常數，因單位制及流量系數定義而異。

    雷諾數 是一個(gè)用來(lái)表明流體在管道內流體狀態(tài)的無(wú)量綱數。對于只有一個(gè)流路的調節閥，如我們常用的直通單座閥、球閥等，雷諾數 可表示為：

    （3）

      其中，V 為液體介質(zhì)的運動(dòng)粘度； N₃為常數，因單位制及流量系數定義而異。

    當雷諾數很低，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(kāi)方值成正比。因此對于雷諾數偏低的流體在 值計算時(shí)必須進(jìn)行修正：

      （4）

   其中， 為雷諾數修正系數，可從相關(guān)手冊的雷諾數修正系數曲線(xiàn)圖中查得。

   2.2控制閥口徑計算流程

      a）計算數據的確定。需要工藝專(zhuān)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(mén)進(jìn)口壓力、閥門(mén)出口壓力、流體粘度、流體溫度、飽和蒸汽壓等數據。拿到上述工藝數據后，儀表工程師要根據實(shí)際情況對參數進(jìn)行相應修正。

    b）阻塞流判別。根據公式（5）判斷流經(jīng)閥門(mén)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 K_vmax，進(jìn)而得到 C_vmax；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 K_vmax ，進(jìn)而得到 C_vmax 。

      c）低雷諾數修正。根據公式（3）求取雷諾數R_e ，若 R_e ≧3500，不需要進(jìn)行低雷諾數修改，步驟b）中計算出的流量系數即為所求； 若 ， R_e <3500,需要進(jìn)行低雷諾數修正，按照公式（4）對流量系數進(jìn)行修正。

    d）控制閥口徑的選定。根據已計算出的最大工作流量工況下的流量系數 ，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 C₁₀₀（即閥全開(kāi)時(shí)的流量系數），從控制閥參數規格表中查得 C₁₀₀ 對應的閥門(mén)口徑。

    e）開(kāi)度驗算。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)行計算，分別求得 Q_nor 、 Q_min  。根據工程經(jīng)驗，一般來(lái)說(shuō)，如果最大工作流量工況下閥開(kāi)度（C_max / C₁₀₀ ）位于70~90%之間、正常工作流量工況下閥開(kāi)度（C_nor / C₁₀₀ ）位于30%~70%之間、最小工作流量工況下閥開(kāi)度（C_min/ C₁₀₀ ）位于10%~30%之間，則認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計項目中工藝閥門(mén)LV-2013為例，介紹進(jìn)行控制閥口徑計算的過(guò)程。

    如圖1所示，液位控制閥LV-2013為氣動(dòng)直線(xiàn)型單座閥，安裝在一級分離器CEPA-V-2001的油相出口管線(xiàn)上，通過(guò)調節出口流量達到控制一級分離器內油相液位的目的。

     控制閥LV-2013原始工藝參數見(jiàn)表2。
    
              
                      圖1 一級分離器控制流程示意圖

                                 表2 LV-2013工藝參數
               

     根據本論文提供的控制閥口徑計算步驟進(jìn)行計算：

    a）計算數據的確定。工藝專(zhuān)業(yè)提供的原始數據如表2所示，儀控工程師需要對表中數據進(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，從穩妥考慮，控制閥計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）。根據工程經(jīng)驗，一般取“穩態(tài)最大流量”的1.15～1.5倍作為最大流量（ Q_max ）取值，本項目中，選取倍數為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”是指管路系統中包括調節閥在內的管路總摩擦阻力降。嚴格來(lái)說(shuō)，要根據管路流體流量、流體粘度、直管段長(cháng)度、彎頭、手動(dòng)閥、漸縮管等參數進(jìn)行模擬計算才能得到閥壓降（ ΔΡ ）值。為簡(jiǎn)化計算，工程設計中一般推薦采用“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_L 取0.9，F_F 取0.93，F²(P₁-F_FP_V)=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，應按照公式

   （1）計算流量系數K_vmax 。
  
    

    c）低雷諾數修正。根據公式（3）求取雷諾數
   
   
    故不必作低雷諾數修正。

      d）控制閥口徑的選定。根據已計算出的最大工作流量工況下的流量系數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C₁₀₀值396，對應的閥門(mén)口徑為6 in。

    e）開(kāi)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分別為： C_vnor=169.59 ， V_vmin=65.39 。

      最大工作流量工況下閥開(kāi)度：  C_vmax  /  C₁₀₀=280.45/396=71 %

      正常工作流量工況下閥開(kāi)度： Cvnor  /   C₁₀₀ =169.59 /396=43%

      最小工作流量工況下閥開(kāi)度： Cvmin  /   C₁₀₀ =65.39 /396=17%

   閥門(mén)開(kāi)度均在合理范圍內，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(mén)工程計算常用軟件，控制閥閥門(mén)口徑計算模塊人機交互界面如圖1所示。其中“Input Data”框中內容是要求我們輸入的原始數據，Case 1、Case 2、Case 3表示最大、正常、最小三種不同工況；“Output Data”框為輸出數據；“Valve Rated Data”為根據計算結果選定的閥型及相關(guān)閥門(mén)參數。

    本項目中進(jìn)行控制閥口徑計算采用的就是InstruCalc軟件，現利用此軟件對手工計算結果進(jìn)行驗算。

   將表2中的原始數據輸入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果基本一致，驗證了本文控制閥口徑手工計算結果的合理性。
     
                 
                    圖2 InstruCalc 控制閥口徑計算模塊界面

   3 結束語(yǔ)

     本論文以渤海某平臺基本設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選取以及閥門(mén)口徑手工計算方法。閥門(mén)計算結果正確與否，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(zhuān)業(yè)密切配合，從工藝對象的特點(diǎn)、調節要求以及經(jīng)濟性等方面綜合權衡，以選取合理的參數。

   控制閥的計算是非常復雜繁瑣的，要綜合考慮多方面的因素。目前設計院中一般采用專(zhuān)門(mén)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合，兩者互相驗證，提高計算結果的可靠性。

   參考文獻：

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

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

   [3] ANSI/ISA 75.01.01-2002，Flow Equations for Sizing Control Valves.

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第三期