調節閥設計計算選型導則（二）

      4.1 選擇調節閥口徑的步驟

     在已知工藝生產流程，確定閥的控制對象和使用條件，按調節閥選型原則選定閥的種類型號和結構特性以后，就可以進行下一步選擇調節閥的口徑。調節閥口徑的選擇步驟如下：

     （1）根據工藝的生產能力設備負荷，確定計算調節閥流通能力的*大流量、常用流量、*小流量、計算壓差等參數。

      （2）根據被控介質及其工作條件選用計算公式，確定流體介質密度、溫度、粘度等已知條件井換算到工作狀態下，然后代入公式計算出流通能力K_v。而后按閥的流通能力應大于計算流通能力的原則，查閱生產廠提供的資料，選取調節閥的口徑。

     （3）根??需要驗算開度或開度范圍、可調比R等。

      （4）計算結果若滿意，則調節閥口徑選定工作完畢。否則重新計算、驗算。

     調節閥的流通能力，是指調節閥上的壓頭損失一個單位時，流體通過閥門的能力。閥門的流通能力也稱流量系數K_v。如今國際規定：溫度為5℃至40℃的水，在105P△壓降下，1小時內流過調節閥的立方米數。

     關于流量系數即調節閥流通能力的計算，各類書刊介紹頗多.上海工業自動化儀表研究所編寫的《調節閥口徑計算指南》（以下簡稱《指南》）已有詳細的論述。《指南》是我國調節閥口徑計算的準標準，很有權威性，它將介質流體分為不可壓縮流體可壓縮流體和兩相流3種對象，根據不同介質選用不同的計算公式。《指南》給出了詳細的計算步驟，并提供了各種流體介質的計算實例，甚至實現了計算機程序化計算，本文不再贅述。選擇正確的計算公式，合理確定計算流量和計算差壓是很重要的，不然將導致調節閥口徑選擇不當。

      4.2 確定計算流量

     調節閥口徑計算的流量，應是系統工作的*大流量Q_max，也就是調節閥*大開度時的流量Q₁₀₀，該值是由工藝設計人根據設備的生產能力、物料平衡、控制對象的極限負荷變化，以及預測的可能擴大的生產能力與操作條件變化等因素，綜合考慮后確定的。

     通常，取正常操作流量的1.3~1.5倍作為計算的*大流量較為合適。過大，勢必使閥徑選擇過大，這將使得調節閥經常處于小開度工作狀態。可調節范圍顯著減小，動作頻繁，閥的調節特性變環，嚴重時則影響調節系統的穩定性和閥的壽命；過小則形成瓶徑，不能滿足生產上對流量的需要。

     設計中如果必須考慮富裕量時，閥徑可以選得稍大一點，但在近期時應使閥的開度不小于40%~60%。對分期建成的工程，不能用*終規模的流量作為計算流量。因此，在設計中應積極協助工藝合理確定計算流量，為正確計算，合理選定閥徑創造條件。據調查，設計中選定的閥徑，偏大的情況占多數，由此造成調節系統不穩定甚至失靈的后果履見不鮮。設計者應該反復推敲，合理確定計算流量，這一點很重要。

      4.3 確定計算差壓

     進行調節閥口徑計算時要確定*大流量時閥前壓力P₁和閥后壓力P₂，這樣P₁-P₂=△P就是計算差壓。△P這個參數選定直接影響計算結果，工藝專業往往未經深思熟慮就給出P₁和P₂。當然，這也是一個較難確定的參數，在設計時應該積極配合工藝專業，合理確定計算差壓，閥前后壓差選定極大地影響調節閥的工作特性。調節閥的工作特性實際上取決于調節閥的壓降與管路系統總阻力損失的比，這個比值S越大，閥的特性就越接近F理想；但是S值過大時將會使閥上阻損過大，增加能量的損耗，因此，確定調節閥壓降是十分重要的。壓降△P_v的選定方法，根據不同的已知條件有多種，現介紹常用的幾種方法如下：

     （1）按管路系統的阻損比來確定△P_v

     所謂阻損比S，就是在調節閥全開時，閥上的壓降△P_v與管路系統各局部阻力件壓降之和∑△P₁加閥的壓降△P_v的總和的比S，其數學表達式：

                        （4-1）

     整理后，得計算差壓為：

                                    （4- 2）

     所謂鑄路系統的局部阻力件，即管段、彎頭、三通、手動閥門、節流裝置等等。∑△P₁一般由工藝專業提供，也可以按下式求得：

                                          （4-3）

     式中：ε為阻力系數，可查閱管道專業的阻力系數圖表；
              v為流速m/s；
              ρ為流體密度g/m³；
              △P₁為阻力損失kPa。

     s值的大小與調節閥的工作特性有密切關系，當S=1時系統總阻損幾乎全部集中到閥上，隨著S值的減小，不僅閥在全開時流量減少，而且流量特性也發生變化，可參考表1。因此，—般工程設計中，不希望S＜0.3，常用范圍S=0.3~0.7，*好在0.5左右。對于密閉容器有靜壓波動的場臺，考慮到系統背壓波動會直接影響閥上壓降的變化，使S進一步減小，如鍋爐給水自動調節系統，在計算壓降△P_v時，還直增加5%~10%的系統背壓，即：

                 （4-4）

     關于管路系統的選定，一般取調節閥前后*靠近闊的兩個定壓點之間的一段管路作為系統的管路。所謂定壓點，即該點壓力不隨流量變化而變化。例如，閥前的介質總管、車間總管、風機出口等，閥后的爐膛壓力、噴嘴前壓力等一般來說是不變的。

     （2）按定壓點的壓差選取閥的壓降

     在初步設計時，由于工藝管路尚未具體確定，這時局部阻力形式還不知道，按上述公式（4-2）、（4-3）計算是有困難的，但閥前后的定壓點一般是可以確定的。

     設P₁為閥前定壓點壓力，P₂為閥后定壓點的壓力，則：

     ∑△P_j+△P_v=P₁-P₂             （4-5）

     代入上述公式（5-1），得：

     △P_v=S（P_1-P₂）               （4-6）

     （3）如果已知原動機（風機，泵等）的特性和管道系統的阻力變化特性，如圖（4.1）。

     如上圖調節閥前后壓降可由F式求得：

     ΔP_v=P_Amin- P_Bmax            （4-7）

     式中：
     P_Amin為原動機在給定流量時的*小壓力；
     P_Bmax為管路系統在給定流量的*大壓力損失。

     （4）對f要求閥后保持恒壓的系統，如已知管路中可能的*小壓力P_1min和調節器的壓力整定范圍P_Tmin~P_Tmax則可取：
 
     ΔP_v=P_1min- P_Tmax            （4-8）

     （5）對于放空調節閥壓降的選取

     對于氣體管道中的放空調節閥，在正常情況下，放空是全閉的，閥前的壓力為P₁，它與管網的壓力一樣。閥后的壓力P₂是大氣壓。但閥全開后，閥后的壓力P2就與放散的流量有關。放散量隨閥后閥前的壓力比P₂/P₁的大小而變化。當P₂/P₁=1時，放散流量等于零，隨此比值的減小，流量增大。當達到某一所謂臨界壓力比時，流量將達到*大值，繼續減小壓力比時，流量將保持此*大值不再改變。放空調節閥多數用于保護性裝置，希望在短時間內達到*大的放空量。同時還要使所選的閥能起到調節作用，并且尺寸的大小還要符合經濟的原則。因此，在選取計算壓降△P_v時，根據臨界壓力比來確定是比較合理的。

     臨界壓力比對于不同的氣體有不同的值，對于空氣或雙原子氣體，臨界壓力（P₂/P₁）L=0.528其它氣體的臨界壓力比，可以參考表2。

      表2 氣體的臨界壓力比值表

    根據臨界壓力比計算選取閥的壓降，可按下列公式計算：

                   （4-9）

     這時閥后的壓力P₂=P₁（P₂/P₁）L，用以克服放散管的阻力和氣流沖向大氣的動力。其裝置的原理如圖（4-2）。

     （6）對于現成的管路系統，如果需要設計安裝調節閥，在計算調節閥徑時，*好先測出*大負荷。手動球型閥前后的壓力P₁和P₂。計算壓降則如下式求得：

     △P_v=P₁- P₂ （4-10）

     以上是幾種常用的確定計算差壓的方法，當然對于不同的工藝對象還有其它的確定計算差壓的方法，請設計者參考有關書刊的經驗介紹，也可以參照上述情況舉一反三。

     當合理確定計算流量和計算差壓之后，則還要仔細查閱一些流體介質的物理性質圖表。選擇一些輔助參數。而后按步驟進行閥徑計算來確定調節閥的選型。

     5 結束語

     調節閥設計選型計算是技術性很強的工作，要想使調節閥設計選型的結果符合現場的實際需要，必須做許多深入細致的工作。特別強調的一點是，調節閥的設計選型不僅是自動化儀表專業的事，設計選型是否合理與工藝專業關系極大，因此設計選型時，要主動積極地取得工藝專業的配合，這樣才能有比較好的設計。作為自動化儀表專業在工程設計中需盡可能地了解工藝流程，掌握各種生產流程對控制系統調節閥的具體要求，要判斷其是否切實可行，要變被動設計為主動設計。通過科學的分析，合理選擇計算參數，而后精心設計計算，并驗算調節閥的選型。有時，還要進行力矩或推力的計算。當設計完成之???，在施工調試時要進行技術跟蹤，通過實踐來檢驗設計選型的結果是否合理。要密切與現場工人相結合，了解調節閥的運行情況，不斷總結經驗和教訓，提高我們的設計水平。