调节阀流量系数几种计算方法的比较

薛文斌

(上海一核阀门制造有限公司，上海 200433)

1 概 述

1944年，美国梅索尼兰公司(Masoneilan)首先提出了调节阀流量系数的概念，用于量化调节阀的流通能力。流量系数的定义： 阀前后压差为6.895kPa(1psi)，用室温水做试验，每分钟流过阀的体积(单位为加仑)，即为该阀的流量系数，用CV表示。若阀全开时，测量得的CV值称阀的额定流量系数(额定CV)，很快该流量系数的概念被全世界同行采用。调节阀的制造商都需测试和发布每个产品的流量系数，供用户选用，从此开创了量化选用调节阀的新时期。公制流量系数的定义： 阀前后压差为0.1MPa(1bar)，用室温水做试验，每小时流过阀的体积(单位为m3)，作为该阀的流量系数，用KV表示，两者的换算关系数为CV=1.16KV。

为了正确地选择调节阀，必须根据介质、压力、流量、温度等工况参数计算调节阀流量系数，并以计算的流量系数为基础，选择合适的公称通径，因此选用每一台调节阀首先应计算工况的流量系数KV(或CV)。为此调节阀制造商先后提供了各种计算公式，20世纪40—50年代美国推出过阀前重度法(γ1法)、阀后重度法(γ2法)、平均重度法(γM法)，前苏联推荐过压缩系数法(ε法)，改革开放以前国内基本上都使用平均重度法。

1962年，Masoneilan推出了临界流量系数计算法(Cf或FL法)，稍后对气体介质又推出多项式计算法(PN法)，同期美国费希尔公司(Fisher)推出了正弦法(Sin法)。改革开放后，Masoneilan和Fisher为扩大产品销售，在中国发布了很多调节阀计算选型方面的书籍，还发送流量系数计算的光盘，使临界流量系数法、多项式法和正弦法三种CV的计算方法在国内广泛流传，替代了过去的重度法。1998年国际电工委员会颁发了IEC 60534—1998《IndustrialProcessControlValves》标准，推荐了膨胀系数计算法(Y法)，2005年国内颁发了GB/T 17213.2—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》， 等同采用了IEC 60534—1998标准， 开始采用了膨胀系数法，稍后GB/T 4213—2008《气动调节阀》发布时，有关流量系数的计算也改用了膨胀系数法。20世纪末，Masoneilan和Fisher都改用了膨胀系数法，那么前述的计算公式和光盘是否有用，还需看计算精度对产品的选型影响是否大。

2 临界流量系数法、多项式法和膨胀系数法常用的计算公式

膨胀系数法与另三种计算法相比，液体介质的流量系数计算公式是相同的，仅仅使用的符号不同，因此笔者不作介绍。主要区别在于可压缩流体即气体、蒸汽介质的计算公式，下面以临界流量系数法、多项式法、膨胀系数法三种方法为例进行说明。

2.1 临界流量系数法

表1 临界流量系数法(无附接管件)常用公式

2.2 多项式法

多项式法常用计算公式见表2所列。

表2 多项式法(无附接管件)常用公式

2.3 膨胀系数法

1) 当可压缩流体为非阻塞流(X

(13)

(14)

(15)

2) 当可压缩流体为阻塞流(X≥FγXT)时，常用计算公式如下：

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(17)

(18)

3 不同工况下流量系数的计算及误差分析

下面挑选四种典型的工况条件，同时用临界流量系数法、多项式法和膨胀系数法三种方法计算其流量系数KV，然后分析其误差。以下四种工况下的临界流量系数Cf，XT，蒸汽的Fγ从GB/T 17213.2—2005标准中查得。

3.1 合成氨工况

合成气为混合气，主要成分是CO，H2；工况特点： 高压，低压差，非阻塞流动；阀门结构型式： 柱塞型阀芯角阀，Cf=0.9，XT=0.72；流量为15000 m3/h，阀前压力为21.4MPa，阀后压力为20.6MPa，进口温度为45℃，操作密度为117.4kg/m3。调节阀KV的计算及误差分析见表3所列。

表3 合成气调节阀KV的计算及误差分析

3.2 氧气工况

氧气为纯气体，工况特点： 高压差、阻塞流；阀门结构型式： 低噪声套筒阀，Cf=0.90，XT=0.68；流量为30000m3/h，阀前压力为6.0MPa，阀后压力为1.5MPa，进口温度为40℃，操作密度为75.57kg/m3。调节阀KV的计算及误差分析见表4所列。

表4 氧气调节阀KV的计算及误差分析

3.3 水蒸气工况(一)

介质为水蒸气，工况特点： 高压，高压差；阀门结构型式： 带导阀的套筒阀，Cf=0.90，XT=0.75；流量为75000kg/h，阀前压力为9.81MPa，阀后压力为3.5MPa，进口温度为540℃，操作密度为28.25kg/m3。调节阀KV的计算及误差分析见表5所列。该工况下，3个公式判断出两种流态。

表5 水蒸气工况(一)调节阀KV的计算及误差分析

3.4 水蒸气工况(二)

介质为水蒸气，工况特点： 低压蒸汽，低压差，非阻塞流；阀门结构型式： 柱塞型单座阀，Cf=0.90，XT=0.72；流量为230kg/h，阀前压力为0.45MPa，阀后压力为0.4MPa，进口温度为300℃，操作密度为2.066kg/m3。调节阀KV的计算及误差分析见表6所列。

表6 水蒸气工况(二)调节阀KV的计算及误差分析

以上四种工况中有高压差，低压差；有混合气、纯气体、水蒸气，所以有一定的代表性。从计算KV的结果来看，临界流量系数法(Cf法)所得的数值最小，多项式法(PN法)的计算值居中，且与Cf法非常接近；与膨胀系数法(γ法)相比，3.1 节气体低压差时用Cf法计算所得的KV值误差最大，达-5.56%。3.2～3.4节计算值的误差在±2.4%之内。在调节阀计算选型过程中，根据介质的最大流量计算出最大流量系数KVmax，然后还要计算选用的流量系数KVe=(1.2～1.5)KVmax，即将KVmax放大1.2～1.5倍后才去选择阀的口径。尽管如此，上述的计算误差，如最大的-5.56%，反映到KVe上，其绝对值仍然很小，均不会影响到阀门口径的选用；另外上面提到的正弦法与膨胀系数法相比，其计算误差由于很小，因而在3.1～3.4节都可使用。

4 结束语

膨胀系数法不但计算精度较高，而且计算方便。与膨胀系数法相比，临界流量系数法、多项式法和正弦法的计算误差都很小，可以同时使用，不影响调节阀口径的选用。

参考文献：

[1]吴国熙.调节阀使用与维修[M].北京： 化学工业出版社，2001.

[2]余善富.气动执行器[M].北京： 机械工业部，1978.

[3]明赐东.调节阀应用[M].成都： 四川科学技术出版社，1989.

[4]林秋鸿.ISA调节阀手册[M].2版.北京： 化学工业出版社，1984.

[5]奚文群，谢海维.调节阀口径计算指南[M].兰州： 化学工业部自控技术中心站，1991.

[6]胡志君，奚文群.综合分析调节阀可压缩流体流量系数计算公式[J].炼油化工自动化，1991(27)： 71-76.

[7]施俊良.调节阀的选择[M].北京： 中国建筑工业出版社，1966.

[8]陆培文.调节阀实用技术[M].北京： 机械工业出版社，2006.

[9]上海工业自动化仪表研究所，上海仪器仪表自控系统检验测试所．GB/T 4213—2008气动调节阀[S]．北京： 中国标准出版社，2008．

[10]王群增，郑秋萍，王燕，等．GB/T 17213.2—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[S]．北京： 中国标准出版社，2006．