探讨调节阀计算中的一个问题

发布时间:2010-09-18  点击数:2079
   通常我们在进行调节阀选型时,首先要根据工艺条件计算出流通能力C的值,再根据C值选择适当的调节阀。计算流通能力有各种方法,但无论用什么方法都要用到调节阀前、后两个压力PV1和PV2。实际上,这两个压力是很难确定的。搞工艺的同志一般只能提供上、下游离调节阀最近的某两个压力稳定点的压力P1和P2。这样,在某些场合计算出来的流通能力会不准确,选出来的调节阀常常偏小,有时会影响到调节系统工程的品质。为此,笔者根据经验提出了这样一个问题:如何利用工艺提供的压力P1和P2,采用较简单的方法以代替PV1和PV2,来较准确地计算调节阀的流通能力C。
一、问题的讨论
    调节阀在系统中的位置和系统的压力分布情况如图一所示。
        图一 调节阀系统及其压力分布示意
     为了讨论和方便先作几个约定。 A,B—上、下游离调节阀最近的压力稳定点。 VA,VB—调节阀前、后的测压点。 P1,P2—工艺提供的压力稳定点的压力。 PV1,PV2—调节阀前、后的压力。 根据上述约定,系统压降,调节阀全开时的最小阀压降,上游、下游最大压降分别为:
    △P=P1­­—P2         (1)
    △PV=PV1—PV2      (2)
    △PVl=P1—PV1     (3)
    △PV2=PV2—P2      (4)
    调节阀压降比的定义为:S=△PV/(PV1+△P+△PV2V)=△PV/△P     (5)
    其含义是:当调节阀全开时,调节阀两端的压降所占系统压降的份额。请见有关资料[1]更小详述。
    由式(5)得:△PV=S·△P  (6)
    可见:电器化有当S=1时,系统压降才与阀压降相等。换句话说:只有选S为1时,工艺提出的压力P1、P2才能代替阀前、后的压力PV1、PV2来计算调节阀的流通能力。否则计算意是有误差的。 事实上,一般S取值意是在0.3~0.5之间,对于高压系统,为了节能起见应取得小些,如0.15.最近有一种新产品低压降比节能调节阀.根据它的特殊性能,可将S取得更小如0.1。这样,P1、P2与PV1、PV2的偏离会更大,更有必要对其进行修正了。当然,如果调节阀用来调节泵进、出的回流量的话,S也可选得大些,如0.8~0.9。
二、阀前相对压降
     实际的调节阀系统要比图一所示的复杂。上、下游的管道有长短、弯头、手动阀等阻力件有多少。简单地说,调节阀上、下游的阻力情况随着调节阀在系统工程中的位置不同而不同的,有时甚至相差颇大。由于某种原因这个原因,要如实反映出阀前、阀后的压力PV1和PV2就得进行必要的计算。
    我们定义:η=△PV1/△P  (7)
    η叫做阀前相对压降.它可表示调节阀在系统中的位置.如阀V紧靠稳压点A,则η=0;而阀V紧靠稳点B,则η=1;若η=0.5,则表示阀V的位置在系统的中间. 将式(3)和式(2)分别代入式(7)和式(6),整理得:
    PV1=P1—η·△P  (8)
    PV1—PV2=S·△P     (9)
   将式(8)代入式(9)得 PV2= PV1—S·△P=P1—(η+S)△P  (10)
   将(8),(10)两式加得:PV1+PV2=2PV1—S·△P =2P1-(2η+S)△P       (11)
   式(8)~(11)就是用P1,P2代替PV1、PV2的计算公式。 其实式(9)就是式(6),它表明阀压降与η无关,也就是说调节阀无论在什么位置,其阀压降总是不变的。但是用P1代替PV1,用P1+P2代替PV1+PV2的话,就与η有关了。也就是说,调节阀在系统中的位置不同,用P1,P2计算出来的C值是不同的。 另外,由图一可知,稳压点B的压力总是比阀后压力小:P2≤PV2  (12)
    将关系式(9)代入,即:
    P2≤P1—(η+S)△P    (13)
    经整理得:η≤1—S  (14) 由此可见,阀前相对压降η是受压降比S的制约的。在η取值时应注意这个限制。 表一列举了一些数据通信,可以看出:即使P1、P2不变,PV1、PV2 这两个值也是随着η的变化莫测而变化莫测的。其变化莫测的程度不同有时不可忽视,特别是系统的总压降△P较大和调节阀压降比S较小时,更是如此。
三、比长度λ
    把调节阀系统工程的各段局部压力降分别求出,再根据公式(7)的定义,可以求出其所需的η值.不过,这个方法比较麻烦,不足取。为此,笔者定义了另一个参数:
    λ=△PV1/(△PV1+△PV2)    (15)
    根据流体流动的理论[2],液体估某一段管道内流动,其管道两端的压力降△Pi与其摩擦系数ξi,管道长度iL,管径di,液体伯密度ρ和流速vi 有着下列的关系:
       如果式中的密度和流速分别用质量Mi,体积Qi和管道截面积Ai表示为:ρi=mi/Qi和Vi=Qi/Ai,那么,上式可写成:(17)将其代入式(15)得:

                  (18)
    一般说来,调节阀上、下游管道的直径、礤面积、摩擦系数和质量流量总是相等的,所以上式经过约简,整理可化简为:λ=L1/(L1+ε·L2)   (19)
    式中ε=V2/V1,对于液体介质,它等于1轰动于可压缩的非液体介质来说,由阀后压力的降低,流速有所增大,所以它大于1,但仍接近于1。为此,令:ε=1则上式以可简化成:λ=L1/(L1+L2) (20)
    由于上式的关系成立,所以笔者把叫做上游艺机管道的比长度,或简称比长度。而L1,L2则为调节阀上、下游相对压降,代这以比较直观的管道相对长度即比长度。 在实际的调节系统中,调节阀上、下游管道上的其他手动调节阀问题处在全开状态的,它们和弯头等其他接件都不得可以被化成各自的当量长度L当加到管道的长度上去。这样,就可以根据上、下游的管道长度L1,L2(包括已经加上去的管接件的当量长度),很方便地估算出它的经长度来。为便于读者参考,现将常用管接件的当量长度列于表一。请参阅文献3。
     常用管接的当量长度   表一  
管接件名称 1=L/d 备 注
90度标准弯头 30~40 1——相对当量长度
L——当量长度mm
d——管道内径mm
L=1*d
90度弯头 60
截止阀(全开) 300
闸阀(全开) 7
文氏管流量计 12
转子流量计 200~300

   由式(7)可得:△PV1=η△P  (21) 把式(10)代入式(4),得:△PV2=P1—(η+S)·△P—P2=(1—η—S)·△P  (22) 然后将它们代入公式(15)得

                (23)
    因此:η=(1—S)·λ (24)
    这就是最终用比长度代替阀前相对压降η的公式,。将这个关系到式分别公共秩序公式(8)~(11)可得到下列计算用的实用公式:PV1= P1—(1—S)λ△P   (25)
    PV2=P1—[ (1—S)λ+S]△P   (26)
    PV1—PV2=S△P    (27)
    PV1+PV2=2P1—[2(1—S)λ+S]△P  (28) 这四个公式,就是P1,P2和PV1,PV2的关系式,在计算调节阀的流通能力C时很有用处。计算请见文献4。
四、实例
    有两个实例,说明上述计算方法是可行的。
   1.我厂氯乙烯工段的C2H2,HCL配比系统的乙炔调节阀。工艺水平条件为P1=550mmHg,P2=500mmHg,Qmax=800Nm3/h, ρ1.16kg/m3,t=25°C,管道内径d=200mm. 由于上游稳压点是(前一个)乙炔工段的水环泵出口远离调节阀近100米,而下游稳压点的混合器,距离不到10米,故取λ=0.9,  S =0.5.
   P1=550/735+1.036=1.784 kgf/cm2
  
 P2=500/735+1.036=1.716 kgf/cm2
  
 Pv1=1.784-1.716=0.068 kgf/cm2
  
 Pv2=1.784-(1-0.5)0.9Χ0.068=1.7534 kgf/cm2
  
 Pv1+Pv2=2 X 1.7534-0.034=3.473 kgf/cm2
   
    选用了ZMAN16K(Dg=dg=100)的具有对数特性的双座调节阀,其流通能力C为160,开度Kmax=90.13%,Kmin=43.62%实际使用情况良好。 2.我厂聚合工段13.5m3聚合釜的冷却水调节阀。工艺条件为:P1=2kgf/cm2,P2=0.7 kgf/cm2,Qmax=86m3/h, ρ=1t/m3,t =20C
    管道内径d=125mm.取S=0.5
    P1=2+1.036=3.036 kgf/cm
   
P2=0.7+1.036=1.736kgf/cm2
  
 PV1-PV2=0.5X1.3=0.065 kgf/cm2                                         
  
  
 选用了ZMAN16B (Dg=dg=100)的具有对数特性的双麻阀,其流通能力C 为160,开度
   Kmax=81.21%,Kmin=26.35%实际使用情况良好。
    上述两例,若直接把P1,P2作为调节阀前\后的压力Pv1、Pv2计算,那么它们的计算流通能力C分别为:92.38和75.43,根据这个数据选用的调节阀口径太小不能适用。