调节阀口径计算

第第３６卷　１期　有　色　冶　金　设　计　与　研　究　２０１５焦　２　月　调节阀口径计算　徐坤龙　（韶关冶炼厂质控中心，广东韶关５１２０２４）　［摘　要］以韶关冶炼厂鼓风炉顶周边风风量调节阀选择为例，介绍了调节阀的结构型式及其选择原则，　论述了调节阀的流量系数的计算方法，根据计算的流量系数得出调节阀的阀座通径和管径，并对调节阀开度　进行了校验。　（关键词］调节阀；流量系数；调节阀口径；两相混合流　中图分类号：ＴＨ１３４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—４３４５（２０１５）０１～００３１－０４　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｃａｌｉｂｅｒ　ｏｆ　Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　Ｖａｌｖｅ　ＸＵ　Ｋｕｎｌｏｎｇ　（Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｓｈａｏｇｕａｎ　Ｓｍｅｈｅｒ，Ｓｈａｏｇｕａｎ，Ｇｕａｒｉｇｄｏｎｇ　５１２０２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔａｋｉｎｇ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｉｒ　ｑｕａｎｔｉ￣ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｖａｌｖｅ　ａｒｏｕｎｄ　ｂｌａｓｔ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｔｏｐ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ．ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｒｅｇｕｌｍｉｎｇ　ｖａｌｖｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｌｆｏｗ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｖａｌｖｅ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ＤＮ　ａｎｄ　ｐｉｐｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｖａｌｖｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔｍｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｆｌｏｗ　ｆａｃｔｏｒ，ａｎｄ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｏｆ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｖａｌｖｅ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｈｅｃｋｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｖａｌｖｅ；ｆｌｏｗ　ｆａｃｔｏｒ；ｃａｌｉｂｅｒ　ｏｆ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｖａｌｖｅ；ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ　ｍｉｘｅｄ　ｆｌｏｗ　２００７年。韶关冶炼厂Ⅱ系统进行了３００　ｋｔ工艺　的调节阀适合的场合也不尽相同，例如单座调节阀　挖潜改造工作。鼓风炉车间工艺参数进行了调整，投　（ＶＰ，ＪＰ）泄漏量小（额定　值的０．０ｌ％），允许压差　料量和鼓风风量有了显著的增加，炉顶料钟周边风　小，适用于一般流体，压差小、要求泄漏量小的场合；　风量也随之增加。因此，必须重新计算周边风调节阀　双座调节阀（ＶＮ）不平衡力小，允许压差大，流量系数　口径。使得其在可以通过最大风量的前提下，在正常　大，泄漏量大（额定Ｋ值的０．１％），适用于要求流通能　工艺条件时，调节阀能打开至适当的开度。影响调节　力大、压差大，对泄漏量要求不严格的场合。偏心旋　阀选定的因素很多，其中最主要的是调节阀的流量　转阀（ＶＺ）体积小，密封性好，泄漏量小，流通能力大，　系数　（　）的确定。为了表示调节阀的容量，规定　可调比宽Ｒ＝１００，允许压差大。适用于要求调节范围　以阀全开时的流量系数作为其额定流量系数。调节　宽、流通能力大、稳定性好的场合。选择调节阀的结　阀种类繁多，口径计算方法有多种，分别论述如下。　构型式主要是根据工艺参数（温度、压力、流量）、介质　１调节阀的结构型式及其选择　性质（粘度、腐蚀性、毒性、杂质状况），以及调节系统　的要求（可调比、噪音、泄漏量）综合考虑确定。一般　常用的调节阀有座式阀和蝶阀２类，随着生产技　情况下，应首选普通单、双座调节阀和套筒调节阀，因　术的发展，调节阀结构型式越来越多，一般包括单座　为此类阀结构简单，阀芯形状易于加工，比较经济。如　调节阀、双座调节阀、套筒阀、角形阀、偏心旋转阀、　果此类阀不能满足工艺的综合要求，可根据具体的　Ｖ型球阀、Ｏ型球阀、隔膜调节阀、蝶阀等。不同形式　特殊要求选择相应结构型式的调节阀。　收稿１３期：２０１４—０４—３０　作者简介：徐坤龙（１９７３一），男，工程师，主要从事现场仪表管理工作。　．３２．　有　色　冶　金　设　计　与　研　究　第３６卷　２计算流量系数计算理论分析　２．１　计算流量系数需要确定的主要参数［１］　调节阀口径的选定是否正确，取决于流量、压差　等计算数据的准确程度。计算流量系数需要确定的　主要参数如下：１）要给出以工艺装置产量的保证值　进行物料衡算时采用的流量值Ｑ　或ｗ　。２）要有工业　装置的所谓产量的争取值，此数据不能乘以任何系　数。３）要得到为克服干扰，调节阀保证通过的动态最　大流量，即计算最大流量。计算最大流量应大于稳态　最大流量，否则调节系统不能工作。一般可以以稳态　最大流量的１．１５～１．５倍作为最大计算流量。当无法　获得或者最大流量接近于正常流量时，要求计算最　大流量应不小于正常流量的１．２５倍。４）有时还需要　确定最小流量值。最小流量是工业装置运行时可能　出现的稳态最小流量，但不是阀门的泄露量。５）调节　阀作为一个可变阻力的部件，必须保证阀上有一定　的阻力△Ｐ。６）ｉｔｔ于调节阀装在管路系统中，其调节作　用的好坏还直接和阀阻比Ｓ　∞有关。５　。。值越大，调节　阀流量特性的畸变越小，调节阀的性能越能到保障。　阀的ｖ１径也较小：但是伴随阀压降增大，动力消耗也　随之增大。当Ｓ　∞＜０．３时，直线流量特性将严重畸变　为快开特性，等百分比畸变为直线特性，可调比已显　著减小。在确定计算阀压降和Ｓ　∞时，计算阀压降最　好是计算最大流量下的阀压降。应尽量避免阀压降　达到一定数值时产生的空化、气蚀和发出的噪音。　２．２阻塞流及其对流量系数计算的影响　所谓阻塞流是指当阀前压力ｐ　保持一定，而逐　步降低阀后压力ｐ　时，流经调节阀的流量会增加到　一个最大极限值，达到最大极限值后，再继续降低Ｐ：，　流量不再增加。此时的流动状态称为阻塞流。显然，　形成阻塞流后，流量与ＡＰ＝ｐ　－ｐ２的关系不再遵循Ｃ＝　ｐ／、／△Ｐ／ｐ的规律。因此，为了精确求得此时的ｃ值，　只能把开始产生阻塞流时的阀压降作为计算阀压　降　对于可压缩流体，只要根据制造厂提供各种调节　阀的　值，便可将　大于或等于ＦＫＸ　作为阻塞流　的条件，并把Ｐｌ一（　Ｔ）＝△　作为△Ｐ代入计算Ｃ值　的公式，可求得阻塞流的正确流量系数。对于不可压　缩流体（液体），流经调节阀时，其缩流断面处的压力　如果小于入口温度下流体介质的饱和蒸气Ｐｖ时，　部分液体会发生相变，形成气泡，产生闪蒸，若继续降　低　，流体便会形成阻塞流　此时　用　表示，　＝　肥。　是液体的临界压力比系数，它是阻塞流条件　下的缩流断面压力与阀入口温度下的液体饱和蒸汽　压力只之比，是　与液体临界压力　．之比的函数。　可根据公式ＦＦ＝０．９６—０．２８＼／　近似确定。为了确　定流体状态，引入一个压力恢复系数　，当△Ｐ≥　ｚ　（尸ｌ一只　）或者△Ｐ≥　（尸】一　只）成立，则为产生阻塞　流［２１。此时，只要以　（Ｐｌ—　只）取代△Ｐ代入公式，便　可求得正确的流量系数值。当液体的雷诺数＜３　５００　后，流量系数需要修正。　２．３　Ｃ　值的求取和调节阀口径的选定　为了正确选定调节阀口径，最关键的是要求得　计算最大流量时所需的Ｃ～。只要Ｃ一确定，根据已　确定调节阀，在该系列调节阀额定流量系数中选取　一个不小于并最接近Ｃ～的值，作为最终选定的流　量系数Ｃ　∞，与此Ｃ　∞相对应的调节阀口径即为最终　选定的调节阀口径。计算Ｃ　值有２个途径：一是根　据掌握的计算最大流量时的计算数据按公式直接求　取；另一种是由正常流量条件下的计算数据求取正　常流量时所需的流量系数Ｃ　，然后综合计算最大流　量、系统摩擦阻力降等因素，求出Ｃ。　。其中，最大流　量时的阀阻比Ｓ０　是求取Ｃ～的关键，计算它的方　法与工艺对象有关。最大流量时的阀阻比可根据式　（１１计算：　Ｓ　＝　一＝１一ｎ　（１一Ｓｏ）　（１）　∑△Ｐ　式中：　表示计算最大流量与正常流量之比，Ｓ　是正　常流量的阀阻比。　另外，如果调节阀装于风机或离心泵出ＶＩ，而阀　下游有恒压点的对象，当流量从Ｑ　增大到ｐ一时，系　统的总压力降中还要考虑压头的损失Ａｈ，则最大流　量时的阀阻比可根据式ｆ２１计算：　５　：（１一　～）－ｎ２（１—５ｎ）　（２）　∑　最大流量时的阀门流量系数根据式ｆ３）计算。　厂　ｃ　ｎ、／Ｖ　　一ｃ　（３）　Ｑｎ酲　２．４相对行程与可调比计算　所谓调节阀的行程是指执行机构为改变阀内流　量从阀全关位置起至阀全开位置的位移，以　表示。　把阀全开时的行程称为额定行程　∞。相对行程便是　某特定行程与额定行程之比，以ｆ表示，即￡：　一，通　第１期　调节阀口径计算　・３３・　常称为调节阀的开度。对于线性调节阀其开度近似　，１　个（　、　、ｙ）。由于考虑的因素多，精度也更高。但平　均重度法的计算简单。不需要太多的物性参数和物　理参数，使用起来更加方便。以下以韶冶３００　ｋｔ挖潜　技术改造实践为例，采用平均重度法对周边风调节　等于　＝　Ｌ１００　；对于等百分比特性调节阀，在理想可　。　调比为３０时，　＝１＋０．６８　ｌｇ　乙１００　．　从调节效果和经济性出发，正常流量时的相对　行程应有一个比较理想的范围，如直线特性调节阀　的相对行程在０．６左右，等百分比特性调节阀的在　０．８左右。然而，同时满足工艺过程的ｎ值和调节阀　阀的流量系数、口径进行计算。　韶冶３００　ｋｔ挖潜技术改造中，Ⅱ系统鼓风炉的年　产量从１００　ｋｔ／ａ提高到１５０　ｋｔ／ａ，主风口风量从４２　ｋｍ３／ｈ提高到４５～４６　ｋｍ３／ｈ，由于主风口风量提高，为　相对行程的最合适位置是很困难的。由于静态最大　了保证炉内气流速度符合技术要求，炉身面积由　流量是由工艺装置的最高产量所决定，因此用改变　静态最大流量的办法来满足相对行程的做法不可　取。唯一可调整的是考虑计算最大流量时所取的倍　数（１．１５～１．５）ｔ　。除了考虑对象特性和调节规律等因　素外，建议在５　∞值较高时取较大的倍数，在Ｓ　。。值较　低时取较小的倍数；对于直线特性调节阀取较小的　倍数，对于等百分比特性调节阀取较大的倍数。在缺　乏必要的计算数据时　可推荐直线特性调节阀取ｍ　值为１．６３，对等百分比特性调节阀取ｍ值为１．９７。在　，１　ｎ值和．ｓ　。。已确定的情况下只要ｍ值　＝　）选取　”　合适，一般可不必进行额定流量时的相对行程验算。　调节阀的可调比是指调节阀所能控制的最大流　量与最小流量之比。调节阀的阀压降恒定时得到的　ｎ　，１　可调比称为固有可调比，以Ｒ。表示，Ｒ。：　坠＝　。　ｎ　乙　ｎ　调节阀在实际使用中，由于和它串联的管道阻　力发生变化，使调节阀的阀压降随着流量的变化而　变化，调节阀的可调比也随之发生改变。此时的最大　流量和最小流量之比称为工作可调比，以Ｒ’表示　Ｒ＝Ｒ。、／Ｓ　。。。这说明，Ｓ　。。值越小，实际的工作可调比　越小。因此，为保证一定的可调比，要适当考虑阀压降　的数值，使Ｓ　。。值不致过低。　３调节阀口径计算与开度验证　对于可压缩流体，有经验估算、平均重度修正和　膨胀系数修正重度法３种方法求取调节阀的流量系　数Ｈ。但是，由于经验估算法没有考虑调节阀本身的　特性，简单地以调节阀前后的差压与人流处压力的　比值关系来判定流体的状态，因此造成的误差很大。　平均重度法和膨胀系数修正重度法两者的计算精度　相似，都考虑了压力恢复系数的影响。不过膨胀系数　修正重度法还引入其他８个新的参数，其中物理参　数４个（Ｋ、　、　、　），查图参数１个（Ｚ），计算参数３　２１．３５　ｉｎ　提高到了２８　ｉｎ　。随着炉身面积的增加，为了　保持炉内料面形状，对加料装置进行了改进，底钟直　径由１　３４５　ｍｍ增大到１　８３０　ｍｍ。　由于主风口风量增加，炉内热风流速下降，会增　加炉内温度，因此需增大冷却面积以加大料钟。料钟　风的主要作用就是冷却料钟，在加料时抑制炉内热　风外溢。因此，为了保护料钟，来自常温冷风管的风量　必须增加，已知Ｑ　＝１５０　ｍ３／ｈ，Ｑ　提高到５００　ｍ３／ｈ，最　大计算流量提高到５８０　ｍ３／ｈ。Ｐ１的绝对压力为２２０　ｋＰａ，／＇２的绝对压力为１００　ｋＰａ，ＡＰＱｎｉ　＝６０　ｋＰａ，△　＝　１００　ｋＰａ，△ＰＱ　＝１２０　ｋＰａ，空气在标准状况下的重度取　ｒＮ＝１．２９　ｋｇ／ｍ　。根据工艺要求选取单座球阀。　第１步，查得ＥＬ＝０．５５。第２步，△尸Ｑ　／Ｐｌ＝０．６／２．２＝　０．２７，０．５　＝０．５ｘ０．５５　＝０．１５。０．２７＞０．１５，所以流体在最　小流量至最大计算流量时皆是阻塞流。第３步，采用　阻塞流公式计算　与　一。　，一　Ｎ×、／ｒＮ（２７３＋　）　一　３３０￣Ｐ１ＸＦＬ　ｌ５０×、／　丽　３３０￣２．２ｘ０．５５　＝７．４３　Ｋｖｍ￣＝一Ｑ￣ｘＮ／ｒＮ（２７　３＋Ｔ）３３０×Ｐ１×５８０ｘ￣ｖ／—１．一２—９ｘ—（２—７—３＋３—０）　一　３３０￣２．２ｘ０．５５　＝２８．７２　根据Ｋｖ，￣＝２８．７２，查上海科迪仪表有限公司的　ＺＭＡＰ／ＺＭＢＰ气动薄膜调节阀线性特性调节阀的流　量系数得ＤＮ＝５０　ｍｍ，ｄｇ＝５０　ｍｍ，Ｋｖ＝４４。　因调节阀采用线性特性调节阀。所以采用线性　验算公式，验算如下：　＝　＝一２８．７２／４４＝６５％　＝　＿ｎ＝７．４３／４４＝１７％　．３４．　有　色　冶　金　设　计　与　研　究　第３６卷　由计算可知，Ｋｉｎ＜９０％，且Ｋ　＞１０％，所以Ｋｖ＝４４　验算合格。　选取的调节阀的理论可调比为３Ｏ，该调节阀的　阀阻比为０．３，所以实际可调比为：　Ｒ实＝Ｒｏｘ　：ｎ　速反应，实际的应用中，直线特性的调节阀表现出了　类似快开的特性：在低开度时风量增加很快，当阀门　开度达到７０％左右时，开度再增加，调节阀的输出风　量增加不再显著变化。调节阀的这种特性正合适迅　速降温的需求。综上所述和实际应用的情况，该调节　阀能实现工艺的目的。　参考文献　［１１陆德明．石油化工自动控制手册【Ｍ］．３版．北京：化学工业　出版社．２０１３．　【２】杨纪伟．调节阀流量关系变形特性分析【Ｍ】．北京：机械丁　业出版社．１９９９．　＝３０ｘ　＝１６　５８０／１５０：３．８７　因为Ｒ实＞　一，所以可调比验算合格。　，，　．４结论　从工艺描述可知，该调节系统处在比较适宜的　工作环境，不存在腐蚀性、高温、高压的介质。阀门前　后的压差也不大，对阀门的密封面不会造严重拉伤，　［３】付卫东，等．调节阀流量的计算方法［Ｍ］．北京：机械工业出　版社．１９９９．　［４］谢云山，刘建领，赵钟荣．调节阀的选型设计要点【Ｊ１．自动化　与仪器仪表。２００８（５）：２０—２３．　在瞬间开关时，难见堵卡现象。工艺要求调节阀能快　（上接第２２页）　低，该技术将越发凸显其降低能耗所带来的优势。　３．４双燃料烧嘴切换。能源供给稳定　压力，还有效解决了烟尘达标排放的环保问题。与之　前的煤气燃烧并辅以柴油燃烧模式相比，采用稀氧　燃烧的吨阳极铜能耗下降了５０％，不仅降低了吨阳　极铜的能耗．还提高了单位时间内冷态粗铜锭物料　的熔化能力．单炉期的作业时间还从原来的２４　ｈ　降低至１６　ｈ。双燃料切换模式可根据实际情况，调整　燃料种类的使用，降低了燃料供给受外界因素影响　的风险，确保了冶炼生产过程的连续性和稳定性。　参考文献　［１］许并社，李明照．铜冶炼工艺［Ｍ】．北京：化学Ｔ业出版社，　２０１０：１４８－１５８．　该公司使用的稀氧燃烧系统采用了双燃料烧嘴　切换模式，即可采用柴油燃烧，也可使用天然气燃烧。　双燃料燃烧切换模式，可保证能源供给的稳定性，　确保生产的连续性和稳定性，确保冶炼作业完全不受　能源供给的任何影响。由于云南地理位置的特殊性。　当天然气供给受到某些因素的影响时，可立即切换使　用柴油燃烧。该切换过程极其简单，只需关闭天然气　球阀后拆除天然气喷枪，更换柴油喷枪，打开柴油管道　球阀后，在控制系统上启动“柴油燃烧模式”模块，系统　即会立即根据柴油燃烧模式来自动计算富氧量：如有　必要也可在手动模式下，根据炉况需要来自由调节柴　『２】北京有色冶金设计研究总院．重有色金属冶炼设计手册：　油与富氧比例。在天然气供给稳定的前提下，可优先　使用天然气作为主燃料。这是因为从吨阳极铜的能耗　看，使用天然气的成本会比使用柴油的成本略微低　铜镍卷【Ｍ】．北京：化学工业出版社，１９９６：１—２．　【３］黄永峰，陈延进，王彤，等．稀氧燃烧技术的开发与应用【ＪＪ．　有色金属（冶炼部分），２０１１（２）：９—１１．　ｆ４］任晓雪，张卫男，王涛，等．稀氧燃烧技术在铜冶炼中的应　些，可在一定程度上控制吨阳极铜的生产成本。　用［ｃ］／／中国有色金属学会冶金设备学术委员会，重有色金　属冶金学术委员会．第九届全国有色金属工业冶炼烟气　治理专利技术推广及三废无害化处置研发技术研讨会　论文集。２０１２：９０—９５．　４结论　综上所述，采用稀氧燃烧取代传统的煤气燃烧，　可完全消除煤气燃烧存在的安全隐患，降低操作工　的劳动强度，保证生产过程的连续性，提高了有效作　【５】Ｄ．Ｂ．乔治，Ａ．Ｃ．恩里克斯，Ａ．Ｃ．德尼斯，等．铜阳极精炼系　统和方法：中国，ＣＮ２０１　１８０００９８３６．２【ＰＪ．２０１　１－２—１６．　【６］熊振昆，张建坤，史兴华．３５０　ｔ燃煤回转式阳极炉的生产　实践『Ｊ１．中国有色冶金，２００７（５）：３６—４０．　【７】吴克富，魏晓玲，李宏才．稀氧燃烧新技术的应用实践［Ｊ］．甘　肃冶金，２０１３，３５（２）：１３０—１０５．　业时间。稀氧燃烧应用后增加了布袋收尘，每天可从　烟尘中回收到约６６　ｋｇ金属铜量，每年将可因此而创　收１０８．９万元经济效益，这不仅缓解了脱硫塔洗涤的