阀门流量流阻系数测试装置原理及设计探讨

    调节阀的流阻系数可以衡量动力设备的主要功率消耗，阀门的流量系数可以衡量阀门的流通能力。因此阀门流量流阻系数测试对阀门产品的改进，为流体工程系统合理设计降低动力消耗，具有十分重要的意义。
一、工作原理
    阀门流量流阻测试装置是一套阀门流量系数、流阻系数和流量特性试验的计算机自动测试系统。该装置适用于水流通过阀门达到稳流时，测定通用阀门常压下的流量系数和流阻系数，调节阀常压下的流量系数、额定流量系数和固有流量特性、减压阀的调压试验、流量试验、流量特性试验和压力特性试验。试验时模拟水流动状态，可测不同进口压力及不同流量下的流量特性和压力特性等。被试阀门的进口压力及流量可调。
二、装置设计
    1、结构
    测试系统主要由循环水池、动力系统、稳压装置、测试管路、数据采集系统和自动控制系统等组成（图1）。循环水池提供试验介质。动力系统（为多泵并联）为试验提供介质循环，满足试验要求的流量和压差。稳压装置为试验装置获得稳定的流场（采用充气稳压容器法和变频泵将低频脉动消除到最低状态利用足够直管长度减少流场不稳定现象）。测试管路通过不同的变径满足不同阀门的压力和流量测试（由DN15～500各规格不锈钢测试管路、管路阀门、伸缩管和管路支座等组成）。数据采集系统（由电磁流量计、压力变送器，差压变送器、温度变送器、数据采集器、计算机、数据处理软件等组成）收集、处理、显示和分析测试过程中的数据和信息。自动控制系统（由水泵动力柜和流量试验控制柜等组成）接收操作指令，完成测试流程。



    考虑各类阀门结构长度不同（参考GB/T12221-2005），为适应测试需要及便于拆装，在各主测试管道上各设计一个规格的伸缩管。为方便流量控制和调节，小口径被压调节管路选用电动调节阀，大口径被压调节管路选用电动偏心蝶阀。测试管选用不锈钢无缝钢管，其内径圆度、直管长度、取压孔直管间距和大小及直管长径比参照有关标准规则及实践经验选定。
    2、测试方案
    流量系数C为水流经阀门的两端压差为100kPa时，某给定行程所流过以m3/h计，介质密度取kg/m3的流量数值。
   
    式中ΔH———阀门前后的压差，MPa
    V———介质流经阀门时的流速，m/s
    ζ———流阻系数
    把测出的每一个Q和ΔH代入式（1），即可计算出一组流量系数，然后据此求得C的算术平均值。当测出相应流速V下的压差ΔH，即可获得流阻系数的大小。
    管内流速的测定是通过实测已知管径的流量求出流速，即
   
    式中D———测试管内径，m
    Q———测试管流量，m³/s
    阀门前后的压差测定参照有关测试标准规定，在阀门前后标准规定长度位置上各设取压点，分别测出装置上阀门和不装阀门两取压点的压差ΔH₁和ΔH₂（当雷诺数相等时），阀门前后的压差ΔH=ΔH₁-ΔH₂可求出。
    3、主要设备选型
    A、稳压容器经计算，需设计约25m³的不锈钢容器一个，安装在泵出口的测试管前。测试管路上设计必要的分水和集水器。同时安装变频泵减小由于电网波动引起泵输出的低频脉动。
    B、水泵水泵机组分2部分。一组为通用阀门和调节阀的测试服务，另外一组满足减压阀的测试。
    通用阀门和调节阀的测试用泵选择4个规格的水泵，泵1为流量3000m³/h、扬程18m、功率185kW，泵2为流量1200m³/h、扬程25m、功率132kW，泵3为流量500m³/h、扬程25m、功率55kW。泵4为流量100m³/h、扬程32m、功率15kW。
    减压阀的测试用泵选择2台参数相同的多级泵，流量75m³/h，扬程250m，功率90kW.2台泵可单独运转，也可并联同时工作，以满足能力范围内所有阀门测试的要求。通过变频器调节满足PN10、PN16压力等级阀门的测试。
    C、系统阀门根据流量测试的要求，在每个主测试管路前后分别选用相应规格的手动球阀，以方便测试管路的选择。为方便流量控制和调节，DN25、DN50和DN100测试管路选用电动调节阀，DN200、DN300和DN500测试管路选用电动偏心蝶阀。水泵进出口管路以及试验管路还需设置必要的开关阀门和保护性阀门。阀门公称压力等级按相应测试管路要求选择。
    4、数据采集和自动控制
    试验装置通过控制台集中控制，流量调节远程控制，设备均通过控制柜上的触摸屏进行操作。各测试数据通过多通道数据采集器集中采集，各种数据可传输到计算机软件中，并进行数据处理，形成数据表和绘制曲线。装置设有多种保护功能（如：连锁保护、过载保护等）和故障报警功能。
    5、测试软件
    本数据采集与分析软件是以BORLANDC++BUILDER6企业版作为基础开发平台，并结合WindowsAPI以及Access数据库开发而成的32位标准Windows软件。软件的基本功能有运行环境设定（铭牌参数设定、操作级别设定、测试内容的选择、测试参数量程的选择）、试验运行（运行数据采集软件）、打印（打印试验报告）、测试结果查询和仪器仪表系统管理（数据采集器通道参数设置—传感器零点修正）。该软件程序运行效率高，程序运行自然、平滑，测试灵活，数据自动整理。
三、结论
    阀门流量流阻测试装置测量范围广，最大流量3200m³/h，最大压力215MPa，口径范围DN15～DN500，适用于通用阀门、调节阀和减压阀的流量系数、流阻系数和流量特性测试。装置采用变频与稳压容器结合的供水技术，占地少，稳压效果好，压头较高且可以改变。采用高精度传感器和先进的HP数据采集器，能同时完成流量、压力、压差、温度等数据的采集，提高了测试精度和自动化程度。设备控制和调节均通过控制柜上的触摸屏和调节表实现。测试软件功能强大，操作简便，提高了阀门流量流阻测试效率和自动化水平。

    参考资料
    GB/T12221-2005，金属阀门结构长度（S）。
    GB/T17395-1998，无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差（S）。
    JB/T5296-1991，通用阀门流量系数和流阻系数的试验方法（S）。
    GB/T4213-1992，气动调节阀（S）。
    GB/T12245-2006，减压阀性能试验方法（S）。
    杨源泉。阀门设计手册（M）。北京：机械工业出版社，1992。

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