工程设计中调节阀压力恢复系数FL的应用分析

     在工程设计中，经常需要对调节阀进行选型与计算，以达到稳定控制的目的。但调节阀选型与计算时对F_L的考虑较困难。本文除对F_L的一般规律作分析，同时通过实例，对可能出现阻塞流工况，如何深入考虑F_L作出分析。

      2、阻塞流的产生

     在流量系数Cv的计算公式中，阀前压力P₁，阀后压力P₂的取压位置及流体通过调节阀的压力降变化情况如图1所示。

图1  阀内的压力恢复特性

     阀上压降为ΔP=P₁-P₂。按能量守恒定律，在流体缩脉处的流速zui大而压力zui低，即压力降zui大，称为ΔP_vc。缩流处后流体流速又减小，直至P₂处大部分静压得到恢复，此时压力降为ΔP。

     当介质是液体，在压差足够大时，部份液体在该操作温度下汽化，即发生了闪蒸。液体中夹带了蒸汽，产生了二相流，液体不再是不可压缩的，这时即使再增加压差，流量也不再增加，这种极限流量现象称为液体阻塞流。

      3、F_L的具体分析

      3.1 F_L的定义

             F_L=S_qt（ΔP/ΔP_vc）=S_qt（P₁-P₂）/（P₁-P_vc）        （1）

      3.2  F_L的意义

     F_L是一个实验数据，表明了调节阀在液体通过后动能转变为静压能的恢复能力（见图1），也表明了液体产生阻塞流的临界条件，故F_L又称为临界流量系数。提出F_L的目的，在于判断液体通过调节阀时是否产生隆塞流，并用于计算调节阀的zui大允许压差。

     3.3 阻塞流的判断

      理论上用与的大小关系来判断是否产生阻塞流，但在工程计算时用压差大小来判断。图2表明了通过阀门的流量与压差的关系。

图2  流量与压差的关系

     zui大允许压差定义为ΔPc：

             ΔPc = F_L² ＊ ΔPvc=F_L²＊ （P₁-F_FP_v）       （2）

     P_v：操作温度下的液体饱和蒸汽压      F_F：液体临界压力比系数

      3.4 决定阻塞流的因素

     从公式2来看，一旦操作工况决定，zui大允许压差ΔPc与F_L有关系。阻塞流的产生与通过调节阀流量的大小，调节阀口径没有关系。

      4、F_L值的一般规律

     4.1F_L值的大小与调节阀的结构形式、流向、开度有关。一般情况下，制造厂提供的F_L值是指调节阀全开下的数值。

     4.2几何结构完全相同的调节阀F_L值相同，并与口径无关。同一类型的调节阀由于各制造厂的结构略有不同，故F_L也有差别。

     4.3国际知名的制造厂提供了各系列调节阀的F_L值，国内也有推荐值。详见表1，表2。

表1 Masoneilan 偏心旋转阀

表2 国产调节阀F_L的推荐值

      4.4  值与调节阀形式、开度的一般关系（参见图3）

     一般情况下，直行程调节阀的值比旋转型调节阀的大， 值随调节阀开度的增加而减小。

图3  F_L值与阀门开度的关系

     （1）DSP球体阀：V口形球阀      （2）SP球体阀：流开      （3）偏心旋转阀：流开      （4）阀体分离阀：流开      （5）偏心旋转阀：流关      （6）蝶阀（小力矩）      （7）控制球阀      （8）阀体分离阀：流关      （9）DP球体阀：柱塞形阀芯      （10）SP球体阀：流关      （11）71000系列角阀：流关

      5、工程设计对F_L值的考虑

     5.1工程设计中碰到阻塞流的情况并不多，有时还是工艺要求阻塞流，如液体变气相作冷剂。但大多数工况要求避免阻塞流。

     5.2要避免阻塞流，可选用F_L值较大的调节阀，这样ΔPc也相应大。选大口径并不能避免阻塞流。

     5.3对大口径旋转阀，要考虑管路大小头对F_L值的修正。

     5.4当制造厂未提供调节阀的F_L值时，表4的F_L值可作估算参考。

     5.5要考虑F_L值与阀门开度、P₁与管路流量特性之间的关系。

     由于调节阀Cv值计算只考虑操作工况的某一点，并不能保证所有工况都避免了阻塞流，所以在计算ΔPc时，要从动态的角度来分析。

    对F_L，可选用整个开度内的zui小值，一般是全开时的F_L值。

     P₁一般随开度增大而减小（或不变），故用zui大流量下的P₁来计算ΔPc比较保险。

    如果在调节阀计算时发现F_L和P₁不符合以上规律，要对选定调节阀各开度的ΔPc进行验算。

     6、工程实例（见后）

    设计要求：流体介质为高温油，有粘性。阀体结构要求简单，能在线维修。选择Cv值相对大的阀体形式，这样比较经济。根据具体参数作计算，结果见计算书。

     6.1工程实例，通过对各制造厂计算书的比较，我们zui终选定了NELES-CONTROL的V型控制球阀，顶部安装阀芯的形式。从计算结果看，该调节阀基本上避免了阻塞流，结构形式满足了工艺设计要求。

     6.2从计算结果看，由于在zui小流量时的压差较大，这时还是产生了阻塞流。考虑到该调节阀对装置极其重要，阀体、阀芯、阀座均作硬化处理。

      7、结束语

    实际工程中对阻塞流的处理还有许多方法，如套筒阀、多级降压、阀后安装孔板等，但目的都是一个：通过提高P₂，来增加P_vc，从而避免阻塞流。选用F_L值较大调节阀是zui直接的方法。

    但是调节阀的zui终选定由诸多因素决定，关键是使用工况。上述实例也可选用直通单座阀，但由于结构复杂、价格过高而放弃。