调节阀计算浅析

调节阀计算浅析

刘海蒙

上海电气集团国控环球工程有限公司 上海 200002

摘要：现代化工装置中，调节阀处在一个相当重要的位置，而如何选择合适的调节阀，则成了化工装置能否高效运转的关键。本文将从调节阀计算最基础的原理出发，逐步探讨至工程设计中的调节阀口径及开度选择等问题。

关键词：调节阀计算；Kv值；阀芯尺寸；开度

1调节阀的发展历史

调节阀（或称控制阀），迄今已有数千年的历史，其自身发展与人类工业的发展息息相关。现代阀门则与工业革命并行，事实上，严格意义上最早的调节阀是1880年费希尔制造的泵调节器，这是一种带重锤的自力式调节阀，当阀后压力增大时，在重锤作用下，使调节阀开度减小，从而达到稳定压力的控制效果。

调节阀在化工行业中扮演着至关重要的角色，它是工艺控制系统中用于控制介质温度、压力、流量及液位的关键执行器。在化工生产中，调节阀的使用保证了生产过程的稳定性、先进性以及安全性。通过调节阀，化工企业能够对生产过程中的各种参数进行精确控制，从而实现对最终产品质量的把握以及生产效率的提升，维护和检修成本也会从中受益。所以正确的选择调节阀就成了让化工装置良好运行的前提条件。

2调节阀的调节原理

调节阀依靠改变内部流通口径来实现流量调节。不管是什么类型的执行机构：气动、电动、自力式甚至手动，其目的都是通过执行机构来改变阀体内部的流通口径，当达到希望的流量值后，执行机构停止动作。比如每个家庭都有的水龙头就可以视为一种手动调节阀，当你希望出水变大时，按既定的方法操作手柄（可视为执行机构）即可，要么顺时针旋转把手，要么推动手柄，反之亦然，简单而直白。

在工艺管道内，当某些工艺参数确定时，一个确定数值的流通口径（设为D）必然对应一个确定数值的流量值（设为Q）， 即口径D与流量Q有一个函数关系，通过给定的工艺参数与期望的流量值Q，我们就可以计算出这个口径D的值，最后调节阀才得以制造出厂。但实际上，在化工生产中，流量Q值，并不是一个恒定值，而是在一个范围内变化，这样计算得出的口径D也会在一个范围内变化，那么最后用于制造调节阀的D值只需要满足计算结果就可以了吗？理论上说，确实如此，但在实际的工程设计中，却并非这样简单。

在调节阀的制造工艺中，实际的流通口径，用阀芯尺寸表示，或称阀座直径，见下图中的D所示。

在调节阀计算中，并不会直接得出D值，而是通过计算中选定的额定流量系数选出与之对应的阀座直径。额定流量系数与阀座直径的对应关系通常会用一张表格来体现，此表格由阀门厂家依据自己的制造经验提供。

观察此表，可见实际用于调节阀制造的额定Kv并非一个连续的量，而是依据不同尺寸的阀芯口径呈阶梯状顺序分布，且不同厂家的Kv值也会略有差别。

3调节阀计算

所谓调节阀计算，其最终目的是要计算得出调节阀的流量系数，即Kv值，其定义为：给定行程下，阀两端差压为100kPa时，温度为5~40℃的水，每小时流经调节阀的体积，以m3表示。也有国外厂家会使用英制单位计算，此时，流量系数表示为Cv值，其定义为给定行程下，阀两端差压为1lb/in2时，温度为60F的水，每分钟流经调节阀的体积，以Us gal表示。而Kv与Cv的关系为Kv=0.865Cv。而所谓阀门额定流量系数即是指当该阀门处于100%行程（全开状态）时的流量系数。实际表征的是阀门在这工况的下的最大流量。

对于液体介质（本文仅以液体为例），Kv值的计算公式可简化如下：

--------------公式①

其中，r为液体的比重，ΔP为阀前后差压(单位bar)，Q为液体流量（单位m3/h）。这3个值均为工艺提供的参数，其中Q，会有最大，正常，最小三个流量值。这样依据公式套入数据，可得出分别对应于最大流量、正常流量与最小流量的3个Kv值，然而这3个Kv值并不能直接与阀芯尺寸产生关联。因为我们真正需要的是额定流量系数，即额定Kv值。依据经验，额定Kv与计算Kv的关系为：

Kv（额定）≥ m * Kv（计算）---------------公式②

对于等百分比阀门（下文会详述）而言，m=2（“Kv计算”取正常流量），或者m=1.3（“Kv计算”取最大流量），两种方法计算得出额定Kv取大者。此时我们得到了一个额定Kv初步值，要选取一个合适的值，仍需要进一步的计算判定

这里先介绍一下上文中选取额定Kv值时所提到的一个条件，等百分比阀门。在现代化工行业所使用的调节阀中，等百分比这种流量特性的阀门被普遍采用，所谓等百分比流量特性，是指阀芯的一种特定结构形式，这种结构的特点是阀门的相对开度与流量成等百分比关系。对应此关系图，可做一实例假设，假设一阀门，全开（即100%开度）时，可以通过的流量为100m3/h，从图上做一下粗略统计，可以得出如下数据（表2）。

观察上表，等百分比在数据上的特点很明显：在小开度时，等百分比调节阀由于其较小的放大系数，能够提供平稳的调节，减少因调节过快或过猛引起的系统振荡。而在大开度时，由于放大系数的增大，调节阀能够迅速响应控制信号，实现快速调节。通俗的说，微调和粗调都可以在等百分比调节阀上轻松实现。在实际工程应用中，等百分比流量特性的调节阀能够适应负荷较大范围的变化，且能够保持良好的调节性能和稳定性，因此被广泛的使用于各行业中。

   调节阀在工作时，开度并不适合随意设置，根据以往项目大量的运行经验，阀体本身需要工作在一个合适的开度范围之下，才能得到最好的工作性能。如果偏离此开度，不但会引起控制系统的震荡、控制性能的下降，也会对阀体自身造成不良影响，甚至影响阀门的使用寿命。因此，HG-T 20507-2014 自动化仪表选型设计规范中对等百分比调节阀开度做了3个要求，见下表3所示：

3.3等百分比阀门的开度计算公式，经数学推导（略）可得出如下公式：

-------公式③

其中，x为开度，y=Kv（计算）/Kv（额定），R为调节阀可调比。可调比的定义为调节阀的可调的最大流量与最小流量之比，表征是是调节阀的调节能力。可调比与调节阀结构设计有关，出厂时就已经确定。通常国内阀门厂家计算时R取30，国外厂家计算会取到50。

4结论

至此，即可开始调节阀额定流量系数的计算和选择，总结如下：

（1）利用公式①，计算得出对应三个流量值（最小，正常，最大）的流量系数Kv（最小）、Kv（正常）、Kv（最大）

（2）利用公式②，得出一个额定流量系数的备选范围，同时对照阀门厂家的表格（1），在表格中先选出一个最小的备选额定Kv值。

（3）将备选额定Kv值与Kv（最小）、Kv（正常）、Kv（最大）分别代入到公式③中进行计算3次，可依次得出对应最小流量、正常流量、最大流量的3个开度值，x（最小）、x（正常）、x（最大）。

（4）将步骤c中计算得出的3个开度值与表格（3）进行比较判定。如无法同时满足3个要求，说明步骤b中选出的备选额定Kv值不合适，此时可选择表格（1）中大一档的额定Kv值，重新计算。直至找到满足要求的额定Kv值即可。

（5）经过实际计算后发现，最后符合要求的Kv值，可能不只一个，这时如没有其他特殊要求，从经济角度应优选数值小的Kv值，同时阀门口径也通常选择能与阀芯适配的最小值，这样可以避免阀体过大，从而节省阀门的采购成本。所以调节阀口径很可能会小于管道口径，这是一种正常现象。在化工装置中，我们经常能看到管道上安装的调节阀，在其入口和出口都安装了大小头，也就是工程设计中常说的缩径安装。

（6）如果最后计算无法选出符合要求的Kv值，或者选出的Kv值对应的阀芯尺寸已经大于管道口径，则说明工艺参数不妥，需与工艺专业协商调整。

综上所述，对于调节阀计算的全过程已经叙述完毕，虽然在当今的工程项目中，调节阀计算已经全部由专业软件来完成，但是对于从事工程设计的工程师来说，了解调节阀计算的各个步骤以及所用到的公式，尤其是工艺参数对阀门计算的影响，对于最终选择出一台合适的调节阀仍然具有十分积极的意义。

参考文献：

[1] 孙德利，尚学辉，王长河，调节阀开度验算计算方法的确定[J]，工业仪表与自动化装置 2015（4）：98-100.

[2] 何衍庆，邱宣振等，控制阀工程设计与应用[M]. 2005，北京：化学工业出版社.