探讨分析燃气限流调节阀的可调比及精度变化

    长期以来，天然气输配上下游供气与下游调峰存在较大的矛盾。因为高峰时段下游用户不会自动减小负荷，上游往往采用限流系统限制下游用户的流量提取。由于调节阀进出口压力、温度变化和限流时调节阀阻力变化、流量信号的时滞等因素的影响，以及调节阀本身流量与开度变化的非线形，使限流调节过程具有高度非线性的特点。供需双方都希望了解限流调节的范围和精度，既能在高峰时段限制流量，又能避免双方产生摩擦，保证对用户的供气流量在设定的范围。
    本文将以某流量调节阀为例，通过对限流过程中压差变化引起调节阀流量特性的畸变以及不同限流值时调节阀开度变化规律的分析，计算并绘制出限流调节的可调比及精度变化曲线，为合理选择调节阀的参数提供参考计算方法。
一、理想流量特性、临界压差比和可调比
    对于气体调节阀的流量特性，常用阀阻比S（阀全开时阀最小压降与系统总压降之比）和调节阀的可调比之间的关系来表达。但由于燃气输配管网的复杂性，系统总压降难以准确计算，因此引入一个称为压差比的系数，定义为阀压降Δ_p与入口压力p₁之比：

    对于可压缩流体大量事实证明，对于流路形式确定的调节阀，在X达到一定值X_j时，进入临界状态形成临界流时（阻塞流）。临界流时，p₂再降低但流量不再增加，此时通过调节阀的流量达到极限并伴随燃气高速流动带来的严重噪声，此前的状态称为亚临界流。而X_j在不同开度时分别对应固定的常数，而与阀口径无关。对于亚临界流和临界流状态时体积流量以及临界压差比已经确定的某种调节阀，其临界压差比满足：

    亚临界流时（X<X_j）体积流量：

    临界流状态时（X≥X_j）体积流量：

    其中：Q—通过调节阀的体积流量/m³·h^-1；
    p₁—调节阀前压力/MPa；
    p₂—调节阀后压力/MPa；
    Δ_p—为调节阀压降/MPa；
    F—压力恢复系数，调节阀的固有特性；
    C_v—流量系数，调节阀的固有特性；
    G—燃气密度/kg·m^-3；
    T—入口燃气温度/℃。
    理想情况下，假设调节阀上的压降不随阀开度和流量变化，其相对流量与相对开度之间的关系即理想流量特性与C_v与开度的关系曲线一致。该阀开度与流量系数C_v、压力恢复系数F和临界差压比X_j的关系曲线见图1。可以看出，该调节阀为等百分比流量特性，在小流量时流量变化的绝对值小；在大流量时流量变化的绝对值大。而临界差压比X_j在开度15º最大为0.461，随着阀开度的增加，X_j逐渐减小，到阀全开时Xj最小为0.151。

    由于恢复系数F随开度而变化，因此，临界差压比X_j常数也因开度而不同。理想可调比R₀是调节阀可控制的最大流量与最小流量之比，一般的调节阀理想可调比R小于50，但由于该调节阀内部安装了特殊的整流器，使该调节阀在15~90º开度范围内可调，在开度为15º时，最小可调流量C_v为0.005，到阀全开时C_v达到最大值1。因此对于该调节阀，理想可调比R₀最大为：
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    同时该调节阀由于采用低恢复值设计，使阀门不可恢复的压力损失大大降低，因此即使在高压差的气体减压领域仍然可以发挥1/4旋转球阀的优势，非常适用于燃气的限流调节。
二、工作流量特性
    理想流量特性和可调比建立在Δp不变的状况，由于调节阀是一个阻力部件，当开度改变或流量变化时，Δp不可能保持不变。同时应用中为了避免临界流对于阀体的侵蚀，应保证调节阀始终工作在亚临界流状态。
    在燃气限流应用中，为加强调节阀的可控性，常在调节阀前设置一台调压器以保证p₁不变，假设忽略G和T的变化，由公式（3）通过调节阀的流量主要由p₂决定。为尽量减小正常供气时的压力损失，设计时以阀全开时较小的压降Δ_p0时最大计算流量来选择最大流量为Q_max的调节阀，而所有时段的限流值Qx均应小于Q_max，此时的压差比为X₀=Δ_p0/p₁。
    由公式（5）X≥0.461时，在15~90º开度之间都工作在临界流状态，阀全开时通过调节阀的流量达到极限值Q´_max，虽然符合理想流量特性，但这种情况在实际中应避免出现。若以Q´_max为100%流量，在X_j从0.461减小到X₀的过程中，伴随者X的减小，相同开度通过调节阀的流量也逐渐减小（从临界流到亚临界流状态流量急剧减少），理想等百分比流量特性逐渐畸变为直线流量特性，见图2。

    调节阀工作时，若用户的实际提取流量不超过Q_x，调节阀的压降应不超过Δ_p0。调节阀限流发生时，阀开度应在15~90º之间，下游用户流量的实际提取能力必然超过此时段的限流值Q_x，调节阀出口燃气压力p₂必然降低而使Δ_p增大，在最小可调开度15º、X_j≥0.461时调节阀已不能工作在亚临界流状态，可调比R实际上已接近于0。可见，随着X的增大，可调比R随之减小。
三、限流调节过程
    前面分析已知，虽然调节阀的极限流量为Q´_max，但限流值Q_x均应小于Q_max。当实际流量Q不大于Q_x时，为减小压力损失，调节阀完全可以保持100%开度而不做任何调节；但当压力波动频繁时，若根据Q和Q_x、p₁、p₂等参数，将开度调节到满足Q_x的最小开度，既保证下游的流量提取，当Q接近或大于Q_x时，又可明显地缩短调节时间，避免空行程调节效果差或滞后带来的超调。
    为便于说明限流调节过程，将图2的工作流量特性曲线做变形处理，见图3。曲线OH为X_j≥0.461时的理想流量曲线，H点对应的流量为选择调节阀全开的临界流极限最大流量Q´_max（即阀全开的100%流量值随X而不同）；OA为差压比为X₀时工作流量特性曲线，A点对应的流量为所选调节阀正常工作时的最大流量Q_max。以Q_x为Q_max的50%为例，正常工作时，调节阀开度最小应在C点。当限流发生时，由于限流时调节阀通过的实际流量小于Q_x，但下游实际提取的流量Q超过Q_x，因此调节阀出口的压力p₂将随着时间而逐渐降低，p₂降低的速度与下游实际提取流量Q和调节阀后的管容有关。p₂的降低使Δ_p增大，在p₁不变的情况下压差比X随之增大。

    从图3更清晰地看出，在调节阀开度相同时X增大通过阀的流量增加，如X=0.3时在G点进入临界流状态，按公式（4）流量突然增大并在I点迅速与理想流量曲线OH（但进入临界流状态）重合。因此限流发生压差比X增大时，流量工作点将从C点右移，实际流量将大于Q_x造成超调。为避免超调的发生，理想的调节应将工作点从C开始随X的增大沿等流量线CD下移即阀开度随X的增大而减小，直至减小到D点即15º开度、X≥0.461时进入临界流状态，为保护阀门应立即全部关闭。
    当因p₂的降低用户被迫减小负荷时，随着时间的推移p₂逐渐升高，X随Δ_p逐渐减小，如果开度不变，流量工作点将向等流量线CD的左侧移动，Q将逐渐减小而小于Q_x。理想的调节过程应将工作点从沿着等流量线CD随X的减小而上移即开度增大。
    有时用户负荷稳定，而根据供气计划限流设定值Q_x需要减小时，如流量工作点从C下移到E，开度减小，理想的调节过程应为流量工作点沿着等流量线EF随X的变化而上下移动。而限流值Q_x增大时的调节仍然是沿右移后的等流量线随X的变化而增减阀的开度。
    在实际应用的过程中，由于调节阀下游管网中储气有一定的缓冲作用，在限流开始时即提醒下游用户减少提取流量，所以X一般不会很大。而且从图3也可以看出，开度变化相同时，X较小时流量的变化较小相对容易控制，而X较大时流量的变化较大控制难度增加。
四、实际可调比
    在限流调节过程中，随X增加调节阀在15º开度时的可调最小流量逐渐增加，在X接近0.461时达到极限最大值，可调比R达到最小值。可见实际可调比在限流过程中不是一个固定的常数。
    X<0.151时，流量满足亚临界流计算公式（3），调节阀的可调比R在可调范围内与理想流量特性一致，R最大到200。但从图1的临界Xj曲线可以看出，在X≥0.151时，由于开度较小时临界X_j较大，阀工作在亚临界流状态，流量计算依据公式（3），而开度较大时临界X_j较小，进入临界流状态特性发生畸变，流量计算依据公式（4）流量突然大大增加，因此应按调节阀的极限最大流量Q´_max，以差压比为X₀阀开度为15º时流量Q_jmin为最小流量来进行分段计算可调比R₁：

    实际上临界流状态因对阀体造成损害而应极力避免出现的，因此按照公式（6）显然没有现实指导意义。因此较为合理的算法是：以差压比为X时接近临界X_j时阀门开度的流量Q´_jmax作为最大流量，以差压比为X、阀开度为15º时的流量Q_jmin为流量最小值，重新计算可调比R₂：

    然而，应用中当调节阀确定以后，不是以限流过程中差压比为X时的最大亚临界流量为最大值，而习惯上以X₀对应的Q_max作为流量最大值，同样以限流过程中差压比为X、阀开度为15º时的流量为最小值，因此实际习惯使用的R值应为：

    根据公式（5）~（7）绘制三条可调比曲线，根据公式（8）绘制两条可调比曲线R₃和R₃′，如图4。

    由于限流过程中差压比X的变化引起的流量特性的畸变，按照上述三中方法计算出来的实际可调比R均与理想可调比R₀之间有很大的偏差。但只有公式（8）绘制的曲线R₃、R₃′才具有实际意义，也与限流调节过程中随X增大流量工作点下移、调节范围减小的分析相符合。
    由于选择调节阀时已确定了系统最小Δ_p，而入口压力p₁因系统而异，因此X₀初始值可能不同，根据公式（8）计算的R与X的关系也不同。图4中X₀较小时的曲线R₃′可调比R随X变化得更快，X₀较大时对应的曲线R3可调比R变化较为缓慢。因此，如果限流系统最大差压比X确定，其最小可调比R由公式（8）即可确定。
五、限流过程的调节精度
    调节阀的开度由执行机构输出力矩来驱动阀杆，从而改变阀芯与阀座间的节流面积调节流量，受执行机构本身及与阀杆配套后定位精度的限制，执行机构可识别的最小行程是固定的，而调节阀不同开度的C_v值不同，因此造成流量调节的误差。若忽略公式（3）中因定位误差造成的温度和Δ_p差异，调节精度用ε表示：

    式中C_v´、C_v分别为有执行机构的定位开度和真实开度，Q´、Q分别对应开度的流量。以调节阀定位精度为1%（0.9º偏差）为例，从图1的Cv曲线和公式（9），计算并绘制出调节阀在15~90º可调范围内的误差曲线见图5。

    由于调节精度ε不能反映限流时X的变化而仅与当前开度有关，而当前开度的流量还受X的影响，若用Q_ε表示绝对误差：

    式中出现X和阀开度位置对应的等相互关联的非线性变量，难以评估绝对误差的具体大小。但可以肯定的是，在开度小且X较低时，绝对误差较小，而在开度大且X较高时绝对误差较大。
六、结论
    限流时，开度减小导致调节精度降低，同时伴随着X的增大，使得最小可调开度的流量增大，因而导致实际可调比R降低。在压差比允许的变动X范围内，最小限流开度不宜小于33º，小于此流量调节阀的调节精度将急剧降低。
    为减少调节过程中引起流量变动的扰动因素，限流阀前应设置调压器以稳定p₁。如果与下游用户有最低压力承诺，在p₂降低到一定值时，不再限制流量而改为维持最低出口压力，流量调节阀这时实际上成为减压阀，因此，选用的调节阀应可适用在高压差的气体减压领域。
    为尽量减小压力损失以及为了避免临界流对于阀体的侵蚀，限流用的调节阀的流量特性畸变非常严重。在p₁稳定的情况下X₀越小，畸变越严重，优点是限流时进入临界流状态的可能就越小，但X₀过小则可能使调节阀的口径选择过大。
    对于要求一般的限流系统调节阀应选择可频繁动作的电动执行机构其定位精度一般不超过1%。要求较高的应选择调节精度高、动作速度快且平稳的液动执行机构。流量变化范围较大的，应考虑选取两个大小不同的并联调节阀进行分程控制，以兼顾对可调比和精度的要求。根据阀门的流量特性选用经验控制、预测控制等智能算法也能取得更好的限流调节效果。另外，执行机构与阀之间采用光洁度较高的阀杆、摩擦较小的填料和智能定位器以减少机械连接造成的误差。

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