2控制阀的计算解析

把握阀计算选型与维护概论先进的现代工业是以生产自动化为标志的。各种先进的把握手段虽然不断消逝，但根本的把握规律没有转变而技术工具的变化则是日新月异。智能仪表的研制和使用更为工业自动化开创了奇异的将来。右图是一个典型的热交换器的自动调整系统图。从图中可以看出，调整阀的信号来自调整器，依据信号的变化直接转变蒸汽—被调介质的流量，即转变输入到对象〔热交换器〕的热量，使出口热水的温度保持在给定的温度值。这种典型的自动化把握系统主要有三个环节———检测、把握、执行三大局部。管道阀门的分类阀门自动阀驱动阀自力式阀止回阀手动阀气动阀电动阀液动阀电液动阀把握阀气动调整阀附件阀电动调整阀附件气动执行机构电动执行机构阀门定位器阀位传送器电气转换器手动机构三断疼惜薄膜执行机构活塞执行机构长行程执行机构滚动膜片执行机构比例式两位式直装式侧装式正作用反作用角行程直行程多转式按调整型式按移动型式按阀芯型式按流量特性按阀盖型式调整型切断型调整切断型直行程角行程直线特性等百分比抛物线快开一般型散热型长颈型波浪管密封型平板型柱塞型窗口型套筒型多级降压型偏转型蝶型球型把握阀是以气源、电源或液压为动力，调整管路中的介质的压力和流量。获得工艺过程的温度、压力、流量或液位的要求由于把握阀在工作时属于截流元件，因此在选择把握阀时应依据工作时介质的特性、工艺要求和和把握阀的特点进展计算、选型。把握阀把握阀是多学科学问综合性的产品，需要的专业学问较广泛。牵涉专业很多，不是在课堂上所学的学问可以应付的。所涉及的专业学问有：阀门专业学问流体专业学问〔流体力学和气体动力学〕自控专业学问机械专业学问材料专业学问〔金属材料和物质物性和化学性等〕各种应用专业学问〔化工、电厂、石油、煤化工等现场工艺〕

对把握阀的要求质量稳定，工作牢靠，操作安全严格的计算〔类型、通径和流通力气〕确保牢靠的操作性配有应急措施疼惜环境防止污染把握噪声节省能源承受低阻抗阀门提高把握阀的密封性适用于新的工艺液化自然气煤化工核能把握阀的计算把握阀的计算包括：流通力气计算开度计算调整比验证噪声预估关闭力的计算把握阀通径确实定把握阀通径是依据工艺状况经计算得出工艺管道参数介质状态及物理参数工艺要求量：入口压力、出口压力、温度及流量其他要求计算承受公式法IEC60534标准规定的计算方法GB/T17213.2标准规定的计算方法把握阀计算的理论根底把握阀和一般的阀门一样，是一个局部阻力可以转变的节流元件。当流体流过调整阀时，由于阀芯、阀座所造成的流通面积的局部缩小，形成局部阻力，与孔板类似，它使流体的压力和速度产生变化，见图。流体流过调整阀时产生能量损失，通常用阀前后的压差来表示阻力损失的大小牛顿型流体在确定调整阀的口径时，最主要的依据和工作程序就是计算流量系数.而计算流量系数的基型公式是以牛顿不行压缩流体的伯努利方程为根底的，流经调整阀的介质应当属于牛顿型流体。凡遵循牛顿内摩擦定律的流体都属牛顿流体。图中表示两板之间流体的流淌状况，假设y处流体层的速度为ū，在其垂直距离为dy处的邻近流体层的速度为ū+dū,则dū/dy表示速度沿法线方向的变化率，也称速度梯度。试验证明两流体层之间单位面积上的内摩擦力〔或称为剪应力〕与垂直于流淌方向的速度梯度成正比。即τ=μdū/dy式中μ为比例系数，称为粘性系数，或称为动力粘度，简称为粘度，公式所表示的关系称为牛顿粘性定律，也就是牛顿内摩擦定律。后面争论的流体计算公式适用于介质是牛顿型不行压缩流体、可压缩的流体或上述两者的均相流体，对于泥浆、胶状液体等非牛顿型流体是不适用的。公式来源的推导假设调整阀前后的管道直径全都，流速一样，依据流体的能量守恒原理，不行压缩流体流经调整阀的能量损失为：式中：H—单位重量流体流过调整阀的能量损失；P1—调整阀阀前的压力；P2—调整阀阀后的压力；ρ—流体密度；g—重力加速度。v—流体的平均流速ξ—把握阀的阻力系数Q—流体的体积流量A—把握阀连接收的横截面积假设调整阀的开度不变，流经调整阀的流体不行压缩，则流体的密度不变，那么，单位重量的流体的能量损失与流体的动能成正比，即：流体在调整阀中的平均流速为：根本计算公式综合上述三式可得调整阀的流量方程式为：假设方程式中个参数承受下属单位：A—cm2P1、P2—100kPaρ—g/cm3Q—m3/h将式改写为：该式即是把握阀实际应用的流量方程。可见，当调整阀口径确定，并且调整阀两端压差不变时，阻力系数减小，流量增大；所以，把握阀的工作原理就是依据信号的大小，通过转变阀芯行程来转变流通截面积，从而转变阻力系数而到达调整流量的目的。流通力气的定义C称为流量系数，它与阀芯和阀座的构造、阀前阀后的压差、流体性质等因素有关。因此，它表示调整阀的流通力气，但必需以确定的规定条件为前提。为了便于用不同单位进展运算，可把上式改写成一个基型公式：式中N为各种不同单位制的系数在承受国际单位制时，流量系数用Kv表示。Kv的定义为：温度为5~40℃的水在105Pa压降下，1小时内流过阀的立方米数。很多承受英寸制单位的国家用Cv表示流量系数。Cv的定义为：用40~60F°的水，保持阀门两端压差为1psi，阀门全开状态下每分钟流过的水的美加仑数流通力气(Kv与Cv)的换算1kPa=0.001Mpa=0.001*145.034237=0.145034237Psi1m3/h=264.17gol/h=4.4028gpm

1kgf/cm2=0.098067MPa=735.56mmHg=0.96784atm=14.223Psi1Mpa=10.19716kgf/cm2=7500.624576mmHg=9.869221atm=145.034237Psi1atm=1.03229kgf/cm2=760.001653mmHg=0.101325MPa=14.695611Psi1Psi=0.070309kgf/cm2=0.006895MPa=51.716234mmHg=0.068048atm

Cv=1.156KvKv=0.865Cv实际流体在建立流量系数的计算公式时，都是把流体假想为抱负流体，依据抱负的简洁条件来推导公式，没有考虑到阀门构造对流淌的影响，也就是说，只把调整阀模拟为简洁的构造形式，只考虑到阀门前、后的压差，认为压差直接从P1降为P2。而实际上，当流体流过调整阀时，其压力变化状况如以下图。通过截流的压力变化依据流体的能量守恒定律可知，在阀芯、阀座处由于节流作用而在四周的下游处产生一个缩流，其流体速度最大，但静压最小。在远离缩流处，随着阀内流通面积的增大，流体的流速减小，由于相互摩擦，局部能量转变成内能，大局部静压被恢复，形成了阀门压差△P。也就是说，流体在节流处的压力急剧下降，并在节流通道中渐渐恢复，但已经不能恢复到P1值。堵塞流当介质为气体时，由于它具有可压缩性，当阀的压差到达某一临界值时，通过调整阀的流量将到达极限，这时，即使进一步增加压差，流量也不会再增加。当介质为液体时，一旦压差增大到足以引起液体气化，即产生闪蒸和空化作用时，也会消逝这种极限的流量，这种极限流量称为堵塞流。由图可知，堵塞流产生于缩流处及其下游。产生堵塞流时的压差为△PT。为了说明这一特性，可以用压力恢复系数FL来描述：液体的闪蒸和空化在把握阀内流淌的液体，常常消逝闪蒸和空化两种现象。它们的发生不但影响口径的选择和计算，而且将导致严峻的噪声、振动、材质的破坏等，直接影响调整阀的使用寿命。因此在阀门的计算和选择过程中是不行无视的问题。闪蒸如以下图，当压力为P1的液体流经节流孔时，流速突然急剧增加，而静压力突然下降，当孔后压力P2到达或者低于该流体所在状况下的饱和蒸汽压PV蒸时，局部液体成为气体，形成汽液两相共存的现象，这种现象称为闪蒸。产生闪蒸时，对阀芯等材质已开头有侵蚀破坏作用，而且影响液体计算公式的正确性，使计算简洁化。假设产生闪蒸之后，P2不是保持在饱和蒸汽压以下，在离开节流孔之后又急骤上升，这时气泡产生裂开并转化为液态，这个过程即为空化作用。气蚀所以，空化作用是一种两阶段现象，第一阶段是液体内部形成空腔或气泡，即闪蒸阶段；其次阶段是这些气泡的裂开，即空化阶段。图中显示就是一个在节流孔后产生空化作用的示意图。很多气泡集中在节流孔阀后，自然影响了流量的增加，产生了堵塞状况.因此，闪蒸和空化作用产生的前后的计算公式必定不同。在产生空化作用时，在缩流处的后面，由于压力恢复，上升的压力压缩气泡，到达临界尺寸的气泡开头变为椭圆形，接着，在上游外表开头变平，然后突然爆裂，全部的能量集中在裂开点上，产生极大的冲击力压力恢复系数FLFL值是阀体内部几何外形的函数，它表示调整阀内流体流经缩流处之后动能变为静压的恢复力气。一般FL=0.5~0.98。当FL=1时，P1-P2=P1-PVC，可以想象为P1直接下降为P2，与原来的推导假设一样。FL越小，△P比P1-PVC小得越多，即压力恢复越大。各种阀门因构造不同，其压力恢复力气和压力恢复系数也不一样。有的阀门流路好，流淌阻力小，具有高压力恢复力气，这类阀门称为高压力恢复阀，例如球阀、蝶阀、文丘里角阀等。有的阀门流路简洁，流阻大，摩擦损失大，压力恢复力气差，则称为低压力恢复阀，如单座阀、双座阀等。在图中可以看出，球阀的压差损失△PA小于单座阀的压差损失△PB。FL值的大小取决于调整阀的构造外形，通过试验可以测定各类典型阀门的FL值。计算时可参照表选用。常用FL值表阀的类型阀芯形式流动方向FLXT单座阀柱塞型柱塞型窗口型套筒型套筒型流开流闭任意流开流闭0.900.800.900.900.800.720.550.750.750.70双座阀柱塞型窗口型任意任意0.850.900.700.75角形阀柱塞型柱塞型套筒型套筒型流开流闭流开流闭0.900.800.850.800.720.650.650.60球阀O形球阀（孔径为0.8d）V形球阀任意任意0.550.570.150.25偏旋阀柱塞型任意0.850.61蝶阀60°全开90°全开任意任意0.680.550.380.20堵塞流对计算的影响从前面的分析可知，堵塞流是指介质在流过调整阀时所到达的最大流量状态〔即极限状态〕在固定的入口条件下，阀前压力P1保持确定而逐步降低阀后压力P2时，流经调整阀的流量会增加到一个最大极限值，再连续降低P2，流量也不再增加，这个极限流量即为堵塞流。从图上可见，当按实际压差计算时Q’max要比堵塞流量Qmax大很多。因此，为了准确求得此时的Kv值，只能把开头产生堵塞流时的阀压降△Pt作为计算用的压降。液体是不行压缩流体，它在产生堵塞流时Pvc值与液体介质的物理性质有关，即Pvc=Ff*PvPv———液体的饱和蒸汽压力；Ff———液体的临界压力比系数。Ff是堵塞流条件下缩流处压力Pc与阀入口温度下的液体饱和蒸汽压力Pv之比的函数。可以用图查出。也可利用公式求出。堵塞流消逝之后，流量与△P之间的关系已不再遵循公式的规律。堵塞流的推断△P<FL2(PI-PVC)阻塞流判断公式PVC的计算Pvc=Ff*PvPv———液体的饱和蒸汽压力；

Ff———液体的临界压力比系数。

Ff是阻塞流条件下缩流处压力Pc与阀入口温度下的液体饱和蒸汽压力Pv之比的函数。可以用图查出。或用公式计算不行压缩流体计算公式当△P<FL2(PI-PVC)当△P≥FL2(PI-PVC)阻塞流判断公式

当流体在流经阀门截流面后会产生流体的阻塞现象，造成流量受限，只有进行修正才可满足给定流量进展修正后，Kv值较为修正前有了增大，可以获得更大的流量，满足给定流量Q---流过调节阀的体积流量m3/h△P---调节阀阀前、阀后的压差kPaρ---液体的密度g/cm3Pc---液体的临界压力（饱和蒸汽压）Pv---液体的汽化压力FL---阀门的压力恢复系数液体计算实例介质：水Q=100m3/hρ=0.97g/cm3P1=1170kPaP2=500kPaPv=47kPaT1=80℃符号公式选V型球阀选双座调节阀PcPc=21966.5kPaFL0.570.90.95△PT365.5kPa911kPa△P△P=P1-P21170-500=670kPa阻塞流判定△P>△PT△P<△PT阻塞流非阻塞流选用公式KvKv=51.5Kv=38低雷诺数液体的计算和修正雷诺数Re是说明流体在管道内流淌状态的无量纲数。管内流体流淌的特性取决于四种参数〔管径、粘度、密度和速度〕的综合作用。由雷诺数的大小可以推断流体的流淌状态是层流还是紊流。流量系数Kv是在适当的雷诺数、紊流状况下测定的。随着雷诺数Re的增大，Kv值变化不大。然而当雷诺数减小时，有效的Kv值会变小。在极端的状况下，雷诺数很低，例如对粘性很大的流体，流体的流淌已经成为层流状态，其流量与阀压降成正比，而不是与阀压降的开方值成正比，这时假设还按原公式计算Kv值，误差确定很大。因此，对雷诺数偏低的流体，对Kv值计算公式要进展校正。修正后的流量系数为Kv’，即Kv’=Kv/FR式中-Kv’—修正后的流量系数；Kv—按紊流条件时，即按原公式计算的流量系数。FR—雷诺数修正系数，可以按雷诺数Re的大小从图中查得。Re的计算雷诺数Re可以依据阀的构造和粘度等因素，由以下公式求得。对于具有二个平行流路的调整阀，如直通双座阀、蝶阀、偏心旋转阀，雷诺数为：对于只有一个流路的调整阀，如直通单座阀、套筒阀、球阀、角阀、隔膜阀等，雷诺数为：

黏度单位及换算黏度分为动力黏度和运动黏度动力黏度单位：mPa*s(毫帕*秒)物理单位制：cP(厘泊)

1Pa*s=103mPa*s=103cP运动黏度单位：m2/s(每秒平方米)物理单位制：cSt(厘斯)

1mm2/s=1cSt可压缩流体(气体)计算公式流体状态判别式计算公式单位非阻塞流Qg__气体标准体积流量

Nm3/hρN——气体标准状态下的密度（273K101.3kPa)kg/Nm3P1___入口压力（绝压）kPa

X___压差比X=△P/P1

y___膨胀系数T1___入口绝对温度K(℃+273)Z____压缩系数k＿＿气体的绝热指数Fk___比热比系数空气Fk=1M____气体分子量Z由Tr=T1/TcPr=P1/Pc查表求得阻塞流可压缩流体(蒸汽)计算公式流体状态判别式计算公式单位非阻塞流Ws__蒸气标准质量流量

kg/hρN——蒸气标准状态下的密度（273K101.3kPa)kg/Nm3P1___入口压力（绝压）kPa

X___压差比

X=△P/P1

y___膨胀系数T1___入口绝对温度

K(℃+273)Z____压缩系数k＿＿气体的绝热指数Fk___比热比系数空气Fk=1M____气体分子量Z由Tr=T1/TcPr=P1/Pc查表求得阻塞流两相流的计算流体状态计算公式单位液体与非液化气体Wg__气体标准质量流量

kg/hWL__液体质量流量kg/hρN——蒸气标准状态下的密度（273K101.3kPa)kg/Nm3P1___入口压力kPa

X___压差比

X=△P/P1

y___膨胀系数T1___入口绝对温度

K(℃+273)Z____压缩系数k＿＿气体的绝热指数Fk___比热比系数空气Fk=1M____气体分子量液体与蒸气管件的修正计算调整阀阀体的上游和〔或〕下游装有附接收件时，必需考虑管件几何外形的影响，即管件几何外形系数Fp的影响。Fp是流过装有附接收件调整阀的流量与不装有附装管件时的流量之比。两种安装状况的流量均在不产生堵塞流的同一试验条件下测得。为了保证±5%的最大允许偏差，可以通过试验确定Fp，其压差值以不消逝堵塞流为限。如承受国际单位制，利用公式进展修正：气体密度计算把握阀计算中气体的根本公式是由抱负气体根本定律推导得出的。PnVn=NRTn工作状态的公式为：P1V1=NRT1由于当气体温度、压力变化是气体的克分子数未变，所以N不变，而R为常数。则NR=PnVn/Tn=P1V/T1而当物质的质量不变时：ρnVn=ρ1V1所以：ρ1=ρnVn/V1=ρn*P1*Tn/(Pn*T1)例：空气20℃时的密度=1.293*273/(273+20)=1.2047可调比把握阀的可调比就是把握阀所能把握的最大流量和最小流量之比。可调比也称可调范围：R=Qmax/Qmin要留意：最小流量Qmin和泄漏量含义不同。最小流量是指可调流量的下限值，一般为最大流量的2%~4%而泄漏量是阀门全关时泄漏的量，它仅为最大流量的0.1%~0.01%抱负可调比：当把握阀上压差确定时，可调比称为抱负可调比。它是由把握阀的构造准备的。一般把握阀的可调比为50.实际可调比：把握阀在工作时不是与管路系统串联就是与旁路阀并联，随着管路系统的变化或旁路阀的开启程度不同，把握阀的可调比也产生相应的变化。这使得可调比称为实际可调比把握阀的特性固有流量特性：指介质流过阀门的相对流量与相对行程的关系。流量特性分为：快开型、直线型、等百分比型和抛物线型

快开开度较小时就有较大的流量，随开度的增大，很快达到最大流量此后再增大开度，流量变化很小。等百分比等百分比特性也称为对数特性单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比直线：相对流量与相对位移是直线关系单位位移变化所引起的流量变化时常数。放大系数是常数。特性曲线把握阀开度的验算依据流量和压差计算得到Kv值，并按制造厂供给的各类调整阀的标准系列，选取调整阀的口径后，考虑到选用时要圆整，因此，对工作时的阀门开度应当进展验算。一般最大流量时，调整阀的开度应在90%左右。最大开度过小，说明调整阀选得过大，它常常在小开度下工作。可调比缩小，造成调整性能的下降和经济上的铺张。一般不希望最小开度小于10%，否则阀芯和阀座由于开度太小，受介质冲蚀严峻，特性变坏，甚至失灵。不同的流量特性，其相对开度和相对流量的对应关系是不一样的。抱负特性和工作特性又有差异。因此验算开度时，应按不同特性进展。开度计算公式把握阀材料的选择把握阀材料分为三类：用于承压零件材料用于阀内件材料各种帮助材料承压零件材料铸钢材料WCBWCCLCBWC6不锈钢材料CF3CF8CF8M抗温度变化的合金钢蒙乃尔哈斯特莱特殊合金哈氏C塑料PTFE阀内件材料耐磨性耐温度变化性耐腐蚀性把握阀压力等级的选择GB/T12224-2005钢制阀门一般要求ISO7005-1:1992PN20PN50PN63PN110ASMEB16.34a-1998Class150Class300Class600材料组别1.12.11.12.11.12.11.11.92.12.2

材料类别WCB304WCB304WCB304WCB1Cr-0.5Mo304316温度

°F°C分级表示的工作压力/Mpa100

2.01.95.25.06.56.310.410.510.110.1200931.81.74.74.25.95.29.510.58.48.74002041.41.44.43.55.64.38.99.77.07.26003151.01.03.83.04.83.77.78.56.16.37003710.80.83.73.04.73.77.58.06.06.18004270.60.62.92.83.63.55.87.15.66.08504540.50.41.92.82.33.43.76.85.55.99004820.32.73.36.35.55.89505100.22.63.24.55.45.410005380.12.22.83.04.54.9铸件1.1组WCBGB/T122291.9组WC6JB/T52632.1组CF8/CF3

2.2组CF8M/CF3MGB/T12230压力等级比照ANSI（美标）15030060090015002500JIS（日标）10K20K40K63K

PN①（国标）1.6MPa4.0MPa6.4/10MPa10/15MPa25MPa32/42MPaPN②（国标）20bar50bar110bar150bar260bar420bar注：1.ISAS75.15-1993

2.ISO7005-1:1992金属法兰-第一部分：钢法兰把握阀泄漏量标准把握阀的泄漏量是考核关闭性的指标。泄漏量国际标准：FCI70-2国家标准GB/T4213把握阀泄漏量的计算泄漏量是依据阀门的额定容量计算阀门额定容量计算公式：例1：GTDN25等百Kv=14.9Ⅳ级Ⅴ级泄漏量噪声预估条件公式液体△Pc≥△PSLP=10lg(1.17Kv)+20lg(0.01△P)-30lgH+70=A△Pc<△P<△PTSLP=A+5[((△P/(P1-PV)-Kc)/(FL2-Kc))]*lg[0.145(P2-Pv)]=B△P>△PT且P2>PvSLP=B-5[0.01(△P-△Pc)]-6气体除水蒸气外的气体SLP=10lg[30KvFLP1P2D2ηT/H3]+SLg水蒸气SLP=10lg[6.8×103KvFLP1P2D2η(1+0.00126Tsh)6/H3]出口流速过高的液体估算除水蒸气外的气体M=6.2QN(ρT)1/2/P2d2SPLo=10lg[2.8P22d2D2M8T/104H3]+SLg水蒸气M=138Ws(1+0.00126Tsh)SPLo=10lg[0.0208P22d2D2M8（1+0.00126Tsh）6/H3]△Pc=Kc*（P1-Pv）Kc___起始空化系数（可由试验获得或查图确定）用流体流速的马赫数M来判断产生噪声的程度。当M<0.33时噪声小，可以忽略当Ｍ>1时噪声过大，必须把调节阀的口径增大，把流速降下来当0.33<M<1时可按公式估算其声压级关闭力的计算把握阀在选择阀门类型、压力等级、通径、特性和材料后，要对把握阀要求的关闭力进展计算，以确保阀门可以正常工作。选型影响使用的问题选择开度较小，引起震荡。一般工作开度应选择在40%~70%之间。选择执行机构推力不够造成关闭不严，尤其是在故障关闭的状态时。由于冲蚀、闪蒸、气蚀造成关闭面快速损坏。因流速过高引起的流淌噪声和动力噪声很大。由于缩颈