缩腔型套筒控制阀额定CV值误区分析

杨海河

(中国石油化工股份有限公司 济南分公司, 山东 济南 250101)

一个简单的控制系统是由被控对象、测量装置、调节器和控制阀等环节组成,控制阀是由动力操作装置形成的终端执行元件,是工业过程控制系统中一个关键组成部分。对于具有高温、高压、易燃、易爆、剧毒、腐蚀等特性的石油和化工工艺,控制阀的选型或使用不当,会给生产过程自动化带来困难,导致调节品质下降[1-3]。

控制阀有很多类型,套筒(笼式)控制阀结构如图1所示,在阀芯外设有一个套筒,套筒上有一个一定流量特性的开孔,阀芯在套筒内移动,通过改变套筒上的开孔截面积调节流量。由于套筒(笼式)控制阀阀芯是压力平衡型的结构,在较高压力和压差下运行平稳,精度又比较高,而且结构简单,拆装方便,通用性强,从而被广泛使用[4-5]。

图1 套筒(笼式)控制阀结构示意

在控制阀公称通径确定的情况下,为了使该口径控制阀具有更广泛的调节范围,往往会使用缩腔型的设计,即阀芯尺寸小于公称通径。

阀芯实际尺寸等于或大于公称通径的时候,称之为全腔型,阀芯实际尺寸小于公称通径时,称之为缩腔型,如此相同的阀芯尺寸会对应不同的公称通径。例如,当阀芯尺寸为100 mm时,公称通径可以对应DN100或DN150,甚至可以对应更多的公称通径。

目前,常用缩腔型套筒阀有两种形式：
一是套筒缩腔型,在同一公称通径下,缩腔型和全腔型的阀芯尺寸、行程相同,缩腔型借用全腔型的阀芯、阀座、密封环,只是缩腔型套筒窗口面积(流通面积)小于全腔型窗口面积;二是阀芯缩腔型,这种缩腔型采用了小一档阀芯尺寸的阀芯、套筒、密封环。阀芯缩腔型设计的优点是缩腔型套筒阀与小一档的套筒、阀芯和密封环通用;阀芯与密封环的摩擦力、阀芯受到的动不平衡力、阀芯对阀座需要的压紧力都会减小,套筒和阀座分配的压降也比较均衡。缺点是缩腔型和全腔型行程可能不同,更换阀内件时需要更改执行机构。

1.1 控制阀的流量系数C

控制阀的流量系数C是控制阀在某些特定的条件下,单位时间内通过流体的体积或质量。控制阀全开时的流量系数称为额定流量系数,是表示控制阀的流通能力的参数。由于采用单位制的不同,不同流量系数表示为C,CV,KV,其定义如下：

1)C——在给定行程下,阀两端差压为98 kPa,每小时流经控制阀的温度为5～40 ℃的水(m3),工程单位制(MKS)的流量系数。

2)CV——在给定行程下,阀两端差压为6.89 kPa,每分钟流经控制阀的温度为16 ℃的水(USgal),英制单位的流量系数。

3)KV——在给定行程下,阀两端差压为100 kPa,每小时流经控制阀的温度为5～40 ℃的水(m3),国际单位制(SI)的流量系数,中国推荐使用。

三者之间换算关系为：CV=1.167C,KV=1.01C。

在选型中,为了使控制阀得到良好的调节性能,需要对工况下的流量系数进行计算,将操作工况下的控制阀开度置于最佳的调节范围之内,结合额定流量系数选择合适口径的控制阀[1,6]。

1.2 套筒阀额定CV值数模计算

由于套筒阀经过套筒和阀座处两次节流,套筒阀的CV值计算如式(1)所示：

(1)

式中：CVb——阀门流道的流通能力,一般按照阀体型腔流道最小尺寸来计算,即阀体流道和阀座内径按小的来计算;CVc——套筒的流通能力,和套筒的窗口面积有关。

(2)

CVc=AKc

(3)

式中：Kb——各类阀型流通能力系数,不同类型的阀型流通能力系数都不同;Kc——套筒的流通能力系数,普通窗口式套筒、多孔式套筒、不同降压级数的迷宫式套筒因为流阻不同而Kc不同;A——套筒的流通面积。

2.1 套筒缩腔型

结合常用的某些产品,对比和分析套筒控制阀的流通能力,表1是某缩腔型套筒阀的额定CV值与公称通径、阀芯尺寸的对应关系,流量特性是等百分比特性。

表1 某缩腔型套筒阀的额定CV值与公称通径、阀芯尺寸的对应关系

按照套筒阀额定CV数模计算式(2)可得：

式中：CVb1——DN100×dn100阀门流道流通能力;CVb2——DN150×dn100和DN150×dn150阀门流道流通能力;Kb1——DN100×dn100阀门流通能力系数;Kb2——DN100×dn100和DN150×dn150阀门流通能力系数。

根据式(1)可以得出：

(4)

从表1可知：DN150×dn100阀门和DN100×dn100阀门的额定CV值是相同的,CV2=CV1=175,DN150×dn150阀门的额定CV值CV3=360,这几种阀门CVc按照公式(4)计算如下：

(5)

(6)

(7)

式中：CVc1——DN100×dn100阀门套筒流通能力;CVc2——DN150×dn100阀门套筒流通能力;CVc3——DN150×dn150阀门套筒流通能力;Kb3——DN150×dn150阀门的流通能力系数。

假设Kb1=Kb2=Kb3,根据式(5)～式(7)计算结果可知：CVc2

图2 三种阀套筒窗口大小示意

从上述分析可知,相同额定CV值下,缩腔型套筒的流通能力较小,缩腔型套筒压力大部分损失在套筒上,压差较高时,对套筒的冲刷比较严重,阀芯尺寸大,阀芯与密封环摩擦力、阀芯对阀座需要的压紧力也比较大。但套筒缩腔型设计也有优点,如DN150×dn100缩腔型的阀芯、阀杆、阀座、密封环和DN150×dn150全腔型通用,行程相同,从DN150×dn150更换成DN150×dn100,仅需要更换全腔型套筒为缩腔型套筒,执行机构也无需更换,互换性比较好,目前国内套筒控制阀产品很多采用这种设计。

2.2 阀芯缩腔型

表2是某阀芯缩腔型套筒阀的额定CV值与公称通径和阀芯尺寸的对应关系。

表2 某阀芯缩腔型套筒阀的额定CV值与公称通径和阀芯尺寸的对应关系

由表2可知,DN150×dn100通用了DN100×dn100的阀芯、套筒,因此,缩腔型DN150×dn100和全腔型DN100×dn100的套筒窗口面积、套筒流通能力是相同的,即CVc2=CVc1,由式(3)计算得出：

CVc=A×Kc=278.927 2

由式(2)计算得出：

再根据式(1)计算可得：CV2=244,CV1=208。

根据计算结果可知DN150×dn100缩腔型和DN100×dn100全腔型的CVb是不同的,缩腔型套筒阀DN150×dn100采用与DN100×dn100同尺寸的套筒、阀芯,但CV2的流通能力比CV1大了17%以上。这就是缩腔型套筒阀CV计算、选型存在的误区。

为了验证缩腔型套筒阀比同阀芯尺寸的全腔型套筒阀流通能力大较多,某制造商联合一些大学及检验测试机构对DN150×dn100缩腔型套筒阀和DN100×dn100全腔型套筒阀做了CFD流体分析和流量试验,并与数模理论计算进行对比,结果见表3,表4所列。

表3 DN100×dn100阀芯缩腔型套筒阀的额定CV值比较

表4 DN150×dn100阀芯缩腔型套筒阀的额定CV值比较

表3中DN100×dn100套筒阀流量试验CV=197.1,CFD流体分析CV=194.9,按照数模理论计算CV=208.2,取额定CV=200,与流量试验所得的CV值偏差在5%以内,符合GB/T 4213《气动调节阀》[7]的要求。

DN100×dn100套筒阀流量试验的流量特性曲线与CFD分析的流量特性曲线、数模理论计算的流量特性曲线对比如图3所示,从图3中曲线可以看出,三者也是高度接近,误差较小。

图3 DN100×dn100阀芯缩腔型套筒阀的流量特性曲线比较示意

表4中DN150×dn100套筒阀流量试验CV=236.9,CFD流体分析CV=249.7,按照数模理论计算CV=244.2,取额定CV=245,与流量测试的要求的CV值偏差在5%以内,符合GB/T 4213的要求。

DN150×dn100套筒阀流量试验的流量特性曲线与CFD分析的流量特性曲线、数模理论计算的流量特性曲线对比如图4所示,由图4特性曲线比较可知,三者也是高度接近,误差较小。

图4 DN150×dn100阀芯缩腔型套筒阀的流量特性曲线比较示意

取数模理论计算CV值,CFD流体分析CV值,流量试验CV值的平均值得到额定CV值,DN150×dn100套筒阀的额定CV=245,DN100×dn100套筒阀的额定CV=200,两者相差了22.5%,验证了缩腔型套筒阀比同阀芯尺寸的全腔型套筒阀流通能力大较多,也说明缩腔型套筒阀CV计算、选型存在一定的误区。

根据上述分析可知,阀芯缩腔型套筒阀中采用小一档的套筒和阀芯,而额定CV值仍与小一档的同尺寸阀芯的相同,会导致套筒阀产品选型存在一定的误区。如果按照理论计算选用的缩腔型套筒阀开度比较小,会导致控制阀实际工作在更小或者很小的开度,使控制阀调节性能变差。目前国内外较多阀芯缩腔型套筒阀产品存在该类问题,希望存在该问题的产品完善修改选型样本,以便指导用户更好计算选型,确保控制阀获得更好的相对开度,保证生产过程的控制效果。

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