在工程设计中,经常需要对控制阀进行选型与计算,以达到稳定控制的目的。但控制阀选型与计算时对FL的考虑较复杂。除了FL的一般规律,同时通过实例对可能出现阻塞流工况时,如何深入考虑FL予以分析。
一、阻塞流的产生
在流量系数CV的计算公式中,阀前压力p1,阀后压力p2的取压位置及流体通过控制阀的压力降变化情况如图1所示。
阀上压降Δp=p1-p2。按能量守恒定律,在流体缩脉处的流速最大而压力最低,故压力降最大,称为Δpvc=p1-pvc。缩流处后流体流速又减小,直至p2处大部分静压得到恢复。
当介质是液体,并且p1保持一定,在逐步降低为p2时,当压差足够大时,部分液体在该操作温度下气化,即发生了闪蒸。液体中夹带了气体,产生了两相流,此时流体不再是不可压缩的,会出现即使压差增加,流量也不再增加的情况,这种极限流量现象称为液体阻塞流。
二、FL的具体分析
1、FL的定义
(1)
式中Δpcr--产生阻塞流时的阀压降,即阀入口压力与阻塞流时缩流断面的压力之差,Δpcr=(p1-p2)cr。
2、FL的意义
FL是一个实验数据,表明了控制阀在液体通过后动能转变为静压能的恢复能力(见图1),故称压力恢复系数,也表明了液体产生阻塞流的临界条件,又称为临界流量系数。提出FL的目的,在于判断液体通过控制阀时是否产生阻塞流,并用于计算控制阀的最大允许压差。
3、阻塞流的判断
理论上用pvc与pv的大小关系来判断是否产生阻塞流,但pvc无法测量,故在工程计算时用差压大小来判断。图2表明了通过调节阀的流量与差压的关系。
最大允许压差定义为Δpvc,其计算公式为:
Δpc=FL2(p1-rcpv) (2)
式中;
pv--操作温度下的液体饱和蒸气压;
pc--液体临界压力。
一旦Δp大于Δpc,说明已发生液体阻塞流。
4、决定阻塞流的因素
从式(2)来看,一旦操作工况决定,最大允许差压Δpc与FL的平方呈线性关系。阻塞流的产生与通过控制阀流量的大小、控制阀口径没有关系。
三、FL值的一般规律
1、FL值的大小与控制阀的结构形式、流向、开度有关。一般情况下,阀门开度越大,FL值越小,制造厂提供的FL值是指控制阀全开时的数值。
2、几何结构完全相同的控制阀FL值相同,并与口径无关。同一类型的控制阀,由于各制造厂的结构不同,故FL也略有差别。
3、国际知名的制造厂提供了各系列控制阀的FL值,国内也有推荐值。详见表1~4所列。表2中的Km=FL2。
4、FL值与控制阀形式、开度的一般关系。在一般情况下,直行程控制阀的FL值比旋转型控制阀的大,FL值随控制阀开度的增加而减小。参见《石油化工自动控制设计手册》第3版第912页图5-5-8。
表1 Masoneilan单座调节阀
行程百分比,% | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | |||||||
FL | 0.93 | 0.93 | 0.93 | 0.93 | 0.93 | 0.92 | 0.92 | 0.91 | 0.91 | 0.90 | |||||||
公称通径 /英寸 |
阀座口径 /英寸 |
行程/ 英寸 |
对应CV值 | ||||||||||||||
3/4&1 | 0.375 | 0.8 | 0.09 | 0.15 | 0.28 | 0.46 | 0.61 | 0.87 | 1.18 | 1.71 | 2.55 | 3.8 | |||||
0.500 | 0.8 | 0.15 | 0.24 | 0.45 | 0.72 | 0.96 | 1.38 | 1.86 | 2.70 | 4.02 | 6 | ||||||
0.750 | 0.8 | 0.27 | 0.44 | 0.82 | 1.32 | 1.76 | 2.53 | 3.41 | 4.95 | 7.37 | 11 | ||||||
0.375 | 0.8 | 0.09 | 0.15 | 0.28 | 0.46 | 0.61 | 0.87 | 1.18 | 1.71 | 2.55 | 3.8 | ||||||
0.500 | 0.8 | 0.15 | 0.24 | 0.45 | 0.72 | 0.96 | 1.38 | 1.86 | 2.70 | 4.02 | 6 | ||||||
0.750 | 0.8 | 0.27 | 0.44 | 0.82 | 1.32 | 1.76 | 2.53 | 3.41 | 4.95 | 7.37 | 11 | ||||||
2 | 1.250 | 0.8 | 0.50 | 0.80 | 1.50 | 2.40 | 3.20 | 4.60 | 6.20 | 9.00 | 13.40 | 20 | |||||
0.375 | 0.8 | 0.09 | 0.15 | 0.28 | 0.46 | 0.61 | 0.87 | 1.18 | 1.71 | 2.55 | 3.8 | ||||||
0.500 | 0.8 | 0.15 | 0.24 | 0.45 | 0.72 | 0.96 | 1.38 | 1.86 | 2.70 | 4.02 | 6 | ||||||
0.750 | 0.8 | 0.37 | 0.60 | 1.12 | 1.80 | 2.40 | 3.45 | 4.65 | 6.75 | 10.05 | 15 | ||||||
1.250 | 0.8 | 0.65 | 1.04 | 1.95 | 3.12 | 4.16 | 5.98 | 8.06 | 11.70 | 17.42 | 26 | ||||||
1.625 | 0.8 | 1.15 | 1.84 | 3.45 | 5.52 | 7.36 | 10.58 | 14.26 | 20.70 | 30.82 | 46 |
注1:英寸=254mm,下同。
表2 Fisher单座阀
行程百分比,% | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | Km | ||
公称通径 /英寸 |
阀座口径 /英寸 |
行程/ 英寸 |
对应CV值 | ||||||||||
1 | 1 | 0.25 | 0.48 | 2.36 | 5.04 | 7.36 | 9.47 | 11.2 | 13.1 | 14.6 | 15.5 | 0.81 | |
0.59 | 0.72 | 2.54 | 6.03 | 9.32 | 12.8 | 15.6 | 18.2 | 20.8 | 22.5 | 0.86 | |||
2 | 0.84 | 1.49 | 6.68 | 12.3 | 17.3 | 22.1 | 26.7 | 30.9 | 34.4 | 36.1 | 0.87 | ||
0.84 | 6.83 | 16.2 | 25.0 | 33.0 | 41.2 | 48.8 | 55.5 | 61.7 | 64.4 | 0.82 | |||
3 | 1.65 | 10.8 | 22.3 | 34.3 | 45.3 | 55.5 | 64.7 | 72.7 | 80.0 | 86.7 | 0.79 | ||
4 | 3.47 | 22.7 | 43.3 | 63.4 | 81.8 | 100 | 116 | 131 | 144 | 151 | 0.81 | ||
6 | 7 | 4.6 | 30.0 | 65.3 | 99.7 | 134 | 165 | 195 | 219 | 241 | 259 | 0.83 | |
8 | 8 | 16.2 | 70.2 | 124 | 176 | 227 | 276 | 324 | 370 | 412 | 439 | 0.89 |
表3 Neles V 型球阀
行程百分比,% | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
FL | 0.89 | 0.88 | 0.87 | 0.86 | 0.84 | 0.81 | 0.77 | 0.70 | 0.62 | 0.54 |
公称通径 /英寸 |
对应CV值 | |||||||||
1 | 2.55 | 7.04 | 12 | 17.9 | 25.1 | 36.8 | 55.2 | 83 | 108 | 120 |
2 | 2.55 | 7.04 | 12 | 17.9 | 25.1 | 36.8 | 55.2 | 83 | 108 | 120 |
3 | 2.71 | 9.17 | 16.4 | 26.8 | 10. | 55 | 71.1 | 101 | 150 | 200 |
4 | 8.2 | 19.8 | 37.1 | 57.1 | 79.9 | 110 | 156 | 223 | 357 | 510 |
6 | 10.8 | 30.9 | 60.3 | 97 | 140 | 198 | 268 | 377 | 613 | 820 |
8 | 15.1 | 43.3 | 85 | 136 | 196 | 278 | 376 | 529 | 860 | 1150 |
10 | 21.3 | 61 | 119 | 192 | 277 | 391 | 529 | 745 | 1211 | 1620 |
12 | 39.6 | 119 | 221 | 356 | 514 | 726 | 983 | 1383 | 2249 | 3000 |
16 | 60.6 | 173 | 338 | 544 | 785 | 1111 | 1503 | 2115 | 3439 | 4600 |
四、工程设计对FL值的考虑
1、在工程设计中碰到阻塞流的情况并不多,有时还是工艺要求阻塞流,如液体相变,气相作冷剂。但大多数工况希望能避免阻塞流。
2、要避免阻塞流,可选用值较大的控制阀,这样Δpc也相应大。选大口径并不能避免阻塞流。
3、单座阀的FL比旋转阀大,对大口径旋转阀,要考虑管路大小头对FL值的修正。
4、当制造厂未提供控制阀的FL值时,表4所列的FL值可作估算参考。
5、阀门在不同开度时FL的动态修正。由于控制阀CV值计算只考虑操作工况的某一点,并不能保证所有工况都避免阻塞流,因此在计算Δpc时,要从动态的角度来分析。
估算时FL值可选用整个开度内的最小值,一般是产品说明书上的FL值。而阀前压力p1一般随开度增大而减小(或恒定),故用最大流量下的p1来计算Δpc比较保险。
如果在控制阀计算时发现FL和p1不符合以上规律,要对选定的控制阀在各个工艺要求的操作点下作Δpc的验算,检验是否存在阻塞流的可能。
五、工程实例
设计工况:流体介质为急冷油,黏度大。要求阀体结构简单,能在线维修。其次控制阀CV值相对大些,这样比较经济。根据工艺参数进行计算,结果见表5所列计算书。
从直观上讲,该工况存在着潜在的阻塞流,选用FL大的控制阀最好,但是一般是直行程阀,相对口径大,价格也高。故在此时,特别是大口径阀,阀门结构选型相当重要。
1、通过对各制造厂产品的比较,笔者最终推荐NELES-C0NTROL的V型控制球阀,顶部安装阀芯的形式,制造厂提供的FL数据为:30°开度为0.92;45°开度为0.85;80°开度为0.72。从计算结果看,该控制阀在正常和最大流量下刚好避免了阻塞流,阀门的结构形式也满足了工艺在线维修的要求。
表4 常规阀门FL推荐值
阀门形式 | 阀芯类型 | 流向 | FL |
单阀座 | 柱塞型 | 流开 | 0.9 |
柱塞型 | 流关 | 0.8 | |
窗口型 | 任意 | 0.9 | |
套筒型 | 流开 | 0.9 | |
套筒型 | 流关 | 0.85 | |
双阀座 | 柱塞型 | 任意 | 0.85 |
窗口型 | 任意 | 0.9 | |
角型阀 | 柱塞型 | 流开 | 0.9 |
柱塞型 | 流关 | 0.8 | |
套筒型 | 流开 | 0.85 | |
套筒型 | 流关 | 0.8 | |
球阀 | O型球阀 | 任意 | 0.55 |
V型球阀 | 任意 | 0.6 | |
偏心旋转阀 | 柱塞型 | 流开 | 0.85 |
柱塞型 | 流关 | 0.68 | |
蝶阀 | 60°全开 | 任意 | 0.68 |
90°全开 | 任意 | 0.55 |
2、由于在最小流量时工艺要求的压差较大(0.534 MPa),而这时Δpc为0.501MPa,因此还是产生了阻塞流。考虑到该控制阀对装置极其重要,因此阀体、阀芯、阀座均作硬化处理,实际使用情况良好。
3、从以上实例来看,一旦选定了阀门,有必要对工艺操作点进行Δpc验算,要求制造厂提供该阀门在各开度下的FL值,尤其对FL值随开度变化较大的阀门要特别注意,如球阀。其次,当阀门差压随流量变化影响很大时,Δp应是对应流量下的数值,也对应于阀门的开度。在实例中由于最小流量时的差压较大而产生了阻塞流正好说明了这个问题。
六、结论
工程中对阻塞流的处理还有许多方法,如套筒调节阀、多级降压、阀后安装孔板等,但目的都是一个:提高Pvc从而避免阻塞流。选用FL值较大控制阀是最简捷的方法。
表5 耐莱斯-詹姆斯伯雷控制阀计算书
相关数据 | |||
位号 | FCV-xxxx | ||
日期 | 1999-10-17 | ||
耐莱斯-詹姆斯伯雷参考号 | |||
工艺数据 | |||
管道内径/英寸 | 12.00 | ||
外径/英寸 | 12.00 | 管标号 | SCH40 |
流量特性 | 流体 | ||
质量浓度 | 1.06 | ||
临界压力/barA | 242 | ||
黏度/(4.00mPa·s) | |||
工况 | 1 | 2 | 3 |
流量/(kg·h-1) | 170000 | 259000 | 574000 |
温度/℃ | 130.00 | 130.00 | 130.00 |
压力/barA | 7.400 | 4.900 | 4.100 |
蒸汽压力/barA | 1.800 | 1.800 | 1.800 |
计算差压/barA | 5.340 | 2.74 | 1.750 |
阀门选择 | |||
描述: | 气体/液体:液体 | 阀门类型:T5系列Q型阀芯 | 代号:QT5 |
阀门口径:10英寸 | 最大FpCv:736.8 | 行程类型:90°角行程 | |
计算结果 | |||
流通能力FpCv | 85.574 | 176.22 | 488.70 |
行程百分比 | 29.77 | 48.58 | 82.06 |
阀门开度 | 33.82 | 48.58 | 75.65 |
噪音水平/dBA | 73.3 | 69.6 | 67.6 |
流速(进口)/(m·s-1) | 0.881 | 1.342 | 2.975 |
最大允许压降Δpc/bar | 5.01 | 2.841 | 1.894 |
注:1bar=105Pa。
但是控制阀的最终选定由诸多因素决定,关键是要满足使用工况。上述实例也可选用直通单座阀,但由于结构复杂、价格过高而未能入选。