《调节阀计算选型
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调节阀又称控制阀,是工业自动化过程控制仪表的执行单元,是工业自动化控制的手和足。正确选择和使用调节阀不仅直接关系到整个系统的正常运行,同时涉及到人生和系统的安全、环保及经济效益等方面。据了解自控系统不能正常投入运行,其中有70%~80%的原因是执行单元的影响。
随着我国生产的发展系统对流量、压力、温度等参数的过程控制要求不断提高;耐蚀性能、调节精度、可靠性要求也越来越高。所以正确选择、合理使用调节阀对控制系统有着举足轻重的作用。
《调节阀计算选型资料》可供设计院、企业自动化控制室及工程部有关人员,在调节阀计算选型时参考;对从事调节阀生产、销售、使用、维修人员作为调节阀基础知识的培训教材。
一概述
在工业生产中,往往要对被调介质的参数,如温度、压力、流量、液位、物位等进行控制,使其稳定并达到预定的要求。从而实现生产过程的自动化。其控制过程简化示意如图1-1。
调节阀接受到调节器送来的(偏差)信号时,它是怎样实现对介质的调节的呢?伯努诺方程告诉我们:
………………………(1)
就是说流动介质处于任意状态(位置)时,它的能量(总水头)是一个定值(常数)(流体内部摩擦热能散失忽略不计)。它包括三部分:h—位能(位置水头)、—压力能(静压水头)、—动能(动力水头)。在不同形状、大小的管道内三种能量(水头)只是相互转换而已。如图1-2,过水断面A、B两点的总能量(水头)都是等于Z。
在水平管道中,而A、B两点的h—位能(位置水头)是一个定值,则
公式
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(1)可写成:
……………………………….(2)
从图1-3可以看出A、B两点能量(水头)的转换。能量转换部分h的大小可用下式表示:
………………………………..(3)
因为流量:Q=F1V1=F2V2…………………………………………………………………..(4)
F1 、F2—分别表示两过流断面面积
V1、V2—分别表示两过流断面流体流速。
则
将V2代入(3)式
设
—流体阻力系数。
…………………(5)
当调节阀的口径一定、管道直径一定,其流量Q随阻力系数变化而变化。而阻力系数的变化直接受管道直径既调节阀开度的影响。
就是说调节阀接收到调节器送来的(偏差)信号后,推动阀杆或轴移(转)动,执行机构根据信号的大小,使阀的开度成一定比例开大或关小。由于阀芯形状和阀芯的位移(开度)建立了一定的数学关系,从而使调节阀的流量Q随节流孔过水断面面积的变化相应的变化,而迅速补偿(调节)被控对象(流体),直至达到平衡。
调节阀选择主要包括以下几个方面:调节阀结构型式和材质的选择;流量特征的选择;调节阀Cv值的计算及口径的选择;许用压差的计算及执行机构的选择;公称压力及温度等级的选择。
调节阀实际上是一个可调节的节流单元,它直接与戒指接触,使用环境十分恶劣、复杂多变。选型时既要注意适用、安全、可靠性,又要考虑经济性。总的来说,应根据介质性质、温度、压力及系统工艺要求和其他有关条件来选择,一般可遵循以下几个原则来选取。
1. 调节阀的结构型式应能满足介质温度、压力、流量特性、流向、毒性、调节范围以及密封等要求。
2. 调节阀的材质应能满足介质温度、压力和腐蚀性要求。
3. 调节阀的流量特性应能对调节阀系统进行合理的补偿。
4. 调节阀的口径应能满足工艺上对流量特性的要求。
5. 调节阀的执行机构,输出力应能满足现场使用压差的要求,其刚度应能满足系统稳定性要求。
6. 在特殊情况下,通过定位器、电磁阀、快速排气阀、手轮机构等辅助装置使调节阀满足动作、换向、分程控制等要求。
二 Cv值计算及口径选择
流量系数Cv值是调节阀的重要参数,它反映调节阀的能力(容量),根据Cv值的大小来确定调节阀的公称通径。Cv值的定义是:阀处于全开状态,两端压差为1磅/寸2的条件下,60℉(15.6℃)的清水,每分钟通过阀的美加仑数。我国流量系数是按公制定义的。符号为Kv,Kv与Cv的关系是Cv=1.17Kv。
1.液体介质计算:(英制) (公制)
…………………….(1) ……………(1′)
式中
Q=最大流量 gpm(美加仑/分) Q=最大流量 m3/h
G=比重(水=1) G=比重(水=1)
P1=进口压力 psi P1=进口压力 100kpa(kgf/cm2)
P2=出口压力 psi P2=出口压力 100kpa(kgf/cm2)
ΔP=P1-P2
注意:P1和P2为最大流量时的压力
(1) 粘度修正 液体粘度大于100SSU(塞波特秒)或者大于20CST(厘斯)即20mm2/s时,计算所要求的Cv值应按下列次序进行粘度修正。
1) 不考虑粘度影响,用公式(1)或(1′)求出Cv
2) 用公式(2)和(3)或者公式(2′)和(3′),求出系数R。
3) 从图2-1粘度修正曲线上,求出系数R相对应的Cv的修正系数。
4) 用这个修正系数乘上第一步求出的Cv。
5) 然后,从Cv值一览表上,选取合适的调节阀口径。
系数R的计算公式
(英制) (公制)
……………….(2′)
(3′)
式中
Q=最大流量 gpm Q=最大流量 m3/h
Mcs——进口温度下液体运动粘度系数cst
Cv——未修正的Cv
Mssu——进口温度下液体粘度SSU(塞波特秒)
备注:液体粘度≥200SSU,使用公式(3)或(3′)计算,粘度<200SSU,请把SSU粘度单位换算成CST粘度单位,再用公式(2)或(2′)计算。
(2)闪蒸修正
当饱和温度或接近饱和温度的液体,在流经调节阀节流口时,由于流速加快,液体压力下降,液体内部会产生瞬间快速蒸发。即液体会产生大量蒸气。在这种情况小,仍然采用原液体流动的基本定律(公式)计算就不正确了,必须进行(压差)修正。修正
方法
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如下:
△T<2.8℃(5℉) △Pc=0.06P1 …………………..(4)
△T>2.8℃(5℉) △Pc=0.9(P1-Ps)…………… (5)
式中
△T=在进口压力下的液体饱和温度与进口温度之差
△Pc=计算流量用的允许压差 100kpa(kgf/cm2) abs
Ps=进口温度下液体的绝对饱和压力100kpa(kgf/cm2) abs
只有当公式(4)或(5)计算出的△Pc小于调节阀上的实际压差△P时,公式(1)或(1′)必须用△Pc,而不准用△P。
2.气体(一般气体)介质计算
如果已知
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
状态,即760mmHg(14.7psia)和15.6℃(60℉)条件下的最大流量,下列公式不需经过修正,可直接计算。
(1) △P<时
…………(6) …(6′)
(2) △P>时
………….(7) ……(7′)
式中
Q=标准状态下最大流量 ft3/h Q=标准状态下最大流量 m3/h
G=比重(空气=1) G=比重(空气=1)
T=流体温度 ℉ T=流体温度 ℃
P1=绝对进口压力 Psia P1=绝对进口压力 100Kpa(kgf/cm2)
P2=绝对出口压力 Psia P2=绝对出口压力 100Kpa(kgf/cm2)
△P= P1—P2 Psia △P= P1—P2 100Kpa(kgf/cm2)
3.过热蒸气介质计算
(1) △P<时
……(8) …(8′)
(2) △P≥时
………………..(9) ………..(9′)
式中
W=最大流量 Ibe/h W=最大流量 kg/h
P1=绝对进口压力 Psia P1=绝对进口压力 100Kpa(kgf/cm2)
P2=绝对出口压力 Psia P2=绝对出口压力 100Kpa(kgf/cm2)
K=1+(0.0007×过热温度℉) K=1+(0.0013×过热温度℃)
△P= P1—P2 Psia △P= P1—P2 100Kpa(kgf/cm2)
注意:P1和P2是最大流量时的压力。
4.饱和蒸气介质计算
…….(10) …….(10′)
说明:当P2<时,应用代替△P,V2要用时相对应的值。
式中
W=最大流量 Ib/h W=最大流量 kg/h
V1=进口压力下蒸气比容 ft3/Lb V1=进口压力下蒸气比容 cm3/g
V1=出口压力下蒸气比容 ft3/Lb V1=出口压力下蒸气比容 cm3/g
P1=绝对进口压力 Psia P1=绝对进口压力 100Kpa(kgf/cm2)
P2=绝对出口压力 Psia P2=绝对出口压力 100Kpa(kgf/cm2)
△P= P1—P2 Psia △P= P1—P2 100Kpa(kgf/cm2)
注意:P1和P2是最大流量时的压力。
5.开度验算
调节阀的口径选取是根据我们计算出来的Cv值的大小,从样本上套取的认为合适的口径。由于调节阀在系统中的压降比S值和调节阀的固有流量特性等的影响。所以对已选取的调节阀的口径必须进行开度验算,判断所选阀的口径是否满足工艺条件所需,其最大、最小流量的调节是否处在所选调节阀的最佳开度范围内。开度验算用下列公式验算。
直线流量特性
………………………(11)
等百分比流量特性
………………………(11′)
K—调节阀相对开度。
S—调节阀压降比(调节阀上压降与系数的压降比值)
Cvx—计算后选取的调节阀Cv值。
Cvj—计算出来的Cv值。