阻塞流及其在控制阀选型中的影响

Blocking Flow in Control Valve Selection

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文/李艳荣 瑞莱尔（天津）控制阀有限公司 天津精通控制仪表技术有限公司

 

在工程项目的工艺过程控制系统中，经常需要对控制阀进行选型和计算，以达到稳定控制的目的，但在对控制阀的选型和计算时，经常会遇到这样的问题：同样的工艺条件交给不同的控制阀生产厂家进行选型计算时，所得到的流量系数有时会有所差别，而有时部分厂家选定的控制阀在实际应用中，阀门全开也不能达到所要求的流量，这种情况一般都是忽略了在这种工况下流体产生的阻塞流，因此需要我们在阀门选型计算时充分考虑阻塞流对计算结果的影响。

• 阻塞流的产生和判定标准

在GB/T17213.1-1998《工业过程控制阀第1部分控制阀术语和总则》中提出，阻塞流是指不可压缩或可压缩流体在流过控制阀时，所能达到的极限或最大流量状态，无论何种流体，在固定入口（上游）条件下，压差增大而流量不进一步增大就表明是阻塞流。

■不可压缩流体的阻塞流

如图1所示，根据伯努利方程，对于不可压缩流体，当流体节流时，流速增大，压力降低，最大流速处具有最低的压力，但是，在节流后，流束的截面并没有立即扩大，而是继续减小，因此最大流速并不在节流处，而是在其下游称为缩流断面处的地方，该处的压力为Pvc。随着流束截面的扩大，压力增高，流速降低，但是最终的压力不能恢复到入口的压力P1，而为P2（出口压力），即流过控制阀后压力得到恢复，但也存在不可恢复的压力损失：△P=P1-P2。当缩流处压力小于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力Pv时，部分液体会发生相变，液体蒸发变为气体，即在液相中产生气泡，出现闪蒸，如果再降低压力，就出现阻塞流。

        为了说明控制阀压恢复的情况，一般用压力恢复系数FL描述。

压力恢复系数FL表示控制阀内部流体流经缩流断面处后，动能转化为静压的恢复能力。FL是与阀门和流路特性有关的函数，是一个试验数据，该系数表示阻塞流条件下阀体内几何形状对阀容量的影响，它定义为阻塞流条件下的实际最大流量与理论上非阻塞流条件下的流量之比。在GB/T 17213.2-2005/IEC60534-2-1:1998中推荐计算流量系数时的部分FL值见表1。

压力恢复系数FL越小，表示该控制阀流路设计好，其压力恢复能力也越好，即经缩流后，静压能够恢复到接近入口压力。由上表数据可知，球阀、蝶阀的FL在0.6～0.7之间，因此这类阀被称为高压力恢复阀。压力恢复系数FL越大，表示入口压力经控制阀后的降低越大，因此压力恢复能力差，直通阀的FL在0.8～0.9之间，被称为低压力恢复 阀。通常，流关流向的阀要比流开流向的同类阀的压力恢复系数要小。

对于不可压缩流体，判断发生阻塞流的条件是：

△P = P₁- P₂≥FL^₂(P₁-P_VC)=FL^₂(P₁-F_F×F_V)

式中：   FL—液体临界压力比系数

           

 

                Pc—液体的临界压力。

当控制阀安装了变径的附加管件时，由于变径引起管件的阻尼系数和伯努利系数的变化，并使压力恢复系数发生变化，因此，在进行流量系数计算时，当管件有较大变径等情况发生时，应考虑对压力恢复系数进行修正。

■ 可压缩流体的阻塞流

在《阀门手册》（孙家孔译）中提出当工艺过程的流体流速在控制阀内或下游管线内接近或达到声速，则可压缩流体（气体和蒸汽）就会产生阻塞流。当控制阀内的流体到达阀门的节流区时，压力下降而比容增加直到达到声速。在气体介质的操作中，在阀门任何部分或下游管线的流速都应被限制在1马赫（声速）以下。

在GB17213.2-2005《工业过程控制阀 第2-1部分：流通能力 安装条件下流体流量的计算公式》中提出，对于可压缩流体，如果入口压力P₁保持恒定并且出口压力P₂逐渐降低，则流经控制阀的质量流量就会增大至最大极限值，进一步降低P₂，流量不再增加，这种情况称作阻塞流。实践表明，当发生阻塞流时，可压缩流体的压差比X（压差比X表示控制阀两端压降△P与入口压力P₁之比即X=△P/P1）达到 Fr×X_T时就达到极限值。在这里X_T称为无附接管时的临界压差比系数。

这里引入一个膨胀系数Y的概念，Y表示流体从阀的入口到阀后缩流处气体的密度变化，理论上Y值与节流口面积与入口面积之比、流路形状、压差比、雷诺数、比热比系数Fr等因素有关， 如果流体变成阻塞流， 则Y=0.667。

判断可压缩流体发生阻塞流的条件是：

X=△P/P1≥Fr×X_T

式中Fr是可压缩流体的比热比系数，Fr=r/1.4，r为气体的比热容。它与气体介质特性及温度等有关，气体的比热容可以通过查表获得。与压力恢复系数类似，X_T也与控制阀流路特性有关，是一个试验数据，在GB/T 17213.2-2005/IEC 60534-2-1:1998中推荐计算流量系数时的部分X_T值见表2。

临界压差比系数X_T越小，表示该控制阀流路设计越好，其压力恢复能力也越好，由上表可知， 60°全开蝶阀X_T=0.42，部分球体球阀的X_T=0.30，这类控制阀具有较小的压力损失，很容易产生阻塞流。

临界压差比系数X_T也会受到附加管件的影响。使得X_T的值发生变化，因此，在进行流量系数计算时，当管件有较大变径等情况发生时，也应考虑对临界压差比系数进行修正。

下面为我单位生产的G系列控制阀等百分比特性在进行选型计算时推荐的FL和X_T值（实测值）

• 阻塞流对控制阀选型的影响

  在控制阀选型计算时，没有正确判断阻塞流，就可能会导致阀门计算或选择错误，对于液体介质可能会导致控制阀选型过小，而气体介质可能会导致控制阀流速过高，产生振动或高级别噪音，到现场无法使用的局面，下面通过实例介绍一下。 

例1，介质水，P1=1100kPaA，△ P = 1000  k P a ，T1=38℃，水流量=200m3/h，水的比重为0.995。计算额定流量系数Kv值（不考虑附接管件）。   

选用气动薄膜笼式阀， 流关型FL=0.8,查有关资料Pc=22120kPa，PV=6.624kPa，首先判别是否存在阻塞流，

△ P_T= F_L² ( P1－FP×PV)=0.82（1100-0.955×6.624）=699.95kPa

式中：△P_T—无阻塞流时最大允许压差，kPa。

                 FL=0.96-0.28×（P_V/P_C）^1/2=0.96-0.28×(6.624÷22120）^1/2

由于△P=1000kPa＞△PT，所以流体产生了阻塞流。

计算Kv值时，△P用△PT代替，即

如果不考虑阻塞流，错误的计算为

由以上计算可知，不考虑阻塞流计算的KV值与 考虑阻塞流计算的KV值相对误差为19.5%，因此液体按照无阻塞流选型时很容易将阀门选择过小，到现场不能使用。

例2 ，介质乙烯气体，P1=3000kPaA,△P=2100kPa，T1=323K，流量Q=60000Nm3/h，M=28.05, Fr=0.871，压缩系数Z=0.88，计算额定流量系数Kv值 (不考虑附接管件)。

确定选用笼式控制阀，流关型，查表X_T=0.7，

1、首先判别是否存在阻塞流，

X=△P/P1=2100/3000=0.7

Fr×X_T=0.871 0.7=0.61

由于X=0.7＞Fr×X_T=0.61，判定为阻塞流情况，则Y=0.667

如果没有考虑阻塞流，则

由以上计算出的KV值，可以初步确定可以选用DN100的控制阀。

2、计算乙烯气体出口流速V（m/s）

其中：

          Q—气体的体积流量Nm3/h；

          T—阀入口的流体温度K；

          P2—阀出口压力kPaA；

          D—阀出口实际口径mm。

由以上计算可知，不考虑阻塞流计算的值与考虑阻塞流计算的K_V值相对误差为0.88%，所以气体按照阻塞流或非阻塞流选型时，对所选阀门口径影响不大。但在高流速（V>1马赫）时除外。而本例计算的流速V=0.835马赫高于0.5马赫，经噪音预估的值为115dBA高于110dBA，这种工况也可能对阀体及阀内件产生机械性的破坏，应加以重视。采取的合理方法是采用降噪音内件或加大阀门出口直径等。

特别说明  

在气体出现阻塞流时，一般是出口流速已经接近或超过音速了，因此本文建议在确定阻塞流之后，应计算一下所选控制阀的出口流速，一旦计算出口流速并且已超过0.5马赫时，可能会导致控制阀产生过度振动和高级别噪音。如果出现严重噪音并选择降噪音内件时，则出口流速要限制在0.33马赫以下（如果出口流速大于0.33马赫，来自阀出口与管道的噪音将会增大，从而失去低噪音阀的降噪效果）。不论任何情况，都不允许使气体流速超过1马赫（如果阀门出口流速大于1马赫时，将会引起高频振动或严重冲刷现象，导致阀内件和阀体的损伤甚至破坏）。

其它说明

1、不同厂家生产的控制阀，不同类型的控制阀、同一类型控制阀不同流向、及不同规格的控制阀都具有不同的F_L和X_T值；即使同一规格的控制阀在不同开度时也具有不同的FL和X_T值，但是在控制阀的计算和选型中一般选用的F_L和X_T值都为标准推荐的数值或控制阀生产厂家推荐的数值。

2、在选型计算时，如果出现了阻塞流，可以选用F_L和X_T稍大的控制阀来避免阻塞流；也可以采用增大阀门口径的方法来解决，但是这种方法并不能避免阻塞流，只能保证在阻塞流条件下的流量达到工况要求，以及使气体流速降到0.5马赫以下。

3、F_L和X_T值是阀内部几何形状的函数，与控制阀的结构、流路形式有关，一般由阀门制造公司提供，但是现在国内的有些阀门公司仍然不能够提供自己设计产品的准确值，为阀门的设计选型及现场使用增加了一定的风险性。

4、为了解决这个问题，我们天津精通控制仪表技术有限公司特别建设了一套水-气试验压力可达4.0MPa的流量试验装置，可对DN15～DN400通径的各类控制阀完成额定流量系数、流量特性、液体压力恢复系数FL、气体临界压差比系数χT、流态扭矩、流态阀杆力等试验工作，为我单位生产的各类控制阀产品提供准确的参数奠定了良好的基础。

结论

本文建议，各个生产控制阀的单位应该本着对用户负责的态度，对本单位生产的控制阀进行试验用以提供准确的压力恢复系数FL及临界压差比系数χT的数值。

参考文献

[1] GB/T 17213.1-1998《工业过程控制阀 第1部分 控制阀术语和总则》
        [2] GB17213.2-2005《工业过程控制阀 第2-1部分：流通能力 安装条件下流体流量的计算公式》
        [3] 《阀门手册》——孙家孔译

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