闪蒸工况两相流调节阀流量系数计算

冯璐，张璐璐

(华陆工程科技有限责任公司，陕西 西安 710065)

闪蒸工况两相流调节阀流量系数计算

冯璐，张璐璐

(华陆工程科技有限责任公司，陕西 西安 710065)

工业生产过程中，在闪蒸工况下按常规算法选取的调节阀难以满足精确的流量控制需要。根据安全阀卸放面积和压缩因子算法并结合现场开车实际工况，提出闪蒸因子的概念与有效密度法结合的方法，并推导出满足闪蒸工况下气液两相流调节阀流量系数的计算方法。结果表明： 采用该计算方法更加贴近实际工艺，完善了两相流阀门计算的空缺，并为以后相似的计算提供借鉴与参考。

两相流 闪蒸 流量系数 调节阀

随着中国工业自动化水平的不断提高，调节阀作为自动控制系统的终端执行部件，其口径的合理选定有着重要意义[1]。目前，影响调节阀口径选定的因素很多，其中最主要的是调节阀流量系数CV的确定。但是，在选定CV的过程中，经常会碰到工艺介质经过阀门转变为气液两相的情况，此时，就不能简单地套用单相介质流量系数CV的计算方法，而需要在公式中作进一步的优化，使得计算结果更符合工艺的实际情况[2]。

在闪蒸工况下两相流调节阀CV的计算中，采用传统方法计算具有一定的局限性。传统方法并未充分考虑气液两相的影响因子，且在两相流计算时也未考虑所发生的相变对于整个工艺和阀门实际运行的影响。例如： 在炼油工艺操作中时常会遇到气液两相流工况，如用常规算法，一方面不能保证调节阀的选择精度，另一方面还可能影响压降和背压系统的操作，甚至在某些工况下会产生危险因素。文中针对以往计算的欠缺，提出了相关的方法供探讨,并浅析该算法的合理性和优越性。

1 调节阀气液两相流的形成

调节阀本质上是局部阻力可变的节流元件[3]，即当阀门口径一定时，通过改变阀芯行程可影响流通面积进而达到调节流量的目的。然而，若使阀门入口压力保持恒定，逐步降低出口压力值，当压降增大到某个定值时，流量将达到极限状态。此时如再降低调节阀出口压力值，调节阀的流量将不再发生改变，该状态称为阻塞流现象。与此同时，对于不可压缩流体，若阀门缩颈处的压力值小于饱和蒸汽压就会发生闪蒸。

由以上分析可知，对于长期处于闪蒸工况下的调节阀，其截留部分常会因闪蒸引起材料的剥离、刮痕，最终导致调节阀失效、阀杆断裂、泄漏等严重后果，冲刷最严重的地方一般是在流速的最大值处[4]。因此，对于闪蒸工况下应用的调节阀，选型时除了需要考虑采用硬度较高的材质或涂刷特殊涂层等措施外，还需从源头上优化闪蒸工况形成的两相流的阀门口径计算方法。目前对于气液两相工况下的调节阀CV计算尚不成熟，笔者结合闪蒸因子法及ISA推荐的有效比容法，综合研究探索出一种气液两相调节阀CV的计算方法。

2 两相流调节阀压缩因子算法

本文利用两相流安全阀CV计算方法，在推导中引入闪蒸因子，使其与两相流调节阀CV的计算结合，形成满足闪蒸条件下两相流调节阀CV新型计算方法。根据ISO 4126—2013《超压安全保护装置》中对两相流安全阀CV计算方法提出压缩因子ω算法，其中ω表征了可压缩介质比容相对于压力的变化关系[5]：

vm=xvg+(1-x)vl

(1)

(2)

式中：vm——两相流体的比容;vg——气相比容；vl——液相比容；x——两相流的质量含气率；p——当前状态的压力。

由于无法直接求出两相流的质量含气率对压力的变化影响，故通过热力学能量守恒定律和克拉劳斯-克拉贝隆方程进行代换运算。再利用理想状态方程当前状态与初始状态比容关系，经过积分变换，由积分下限选择入口条件，积分上限选择当前条件。由于闪蒸开始时介质为单液相，ω计算方程为[5]

(3)

式中：v0——初始状态的比容；p0——初始状态的压力；vg0——初始状态的气相比容;vl0——初始状态的液相比容;v——当前状态的比容；Δbv——汽化潜能。

3 压缩因子ω算法推导膨胀系数

两相流中含有气相可压缩介质，需引入膨胀系数修正，在ISO 4126—2013中第10部分关于ω算法中可压缩流体膨胀系数ψ公式如下[5]：

(4)

式中：η——压力比，η=p/p0；v*——比容比，v*=v/v0；β——管线直径与节流件入口直径比，β=d/d0且β<1,β4可以近似看成零。

通过式(3)可得：

(5)

(6)

4 采用闪蒸因子计算调节阀CV

中国石油大学张剑可[5]用两相流含气率变化量与临界压力的关系推导出闪蒸因子表达式，并把闪蒸因子公式引入到膨胀系数表达式中，得到以下公式：

(7)

(8)

(9)

(10)

由于闪蒸工况下调节阀缩颈处发生阻塞流，所以式(10)中实际压力降为

(11)

式中：FL——压力恢复系数；pv——饱和蒸汽压；FF——液体临界压力比；pcr——发生阻塞流时的压力；N——闪蒸因子；a——闪蒸指数，调节阀的闪蒸指数为0.4。

由于调节阀发生闪蒸工况时，阀内介质部分液体气化，形成平衡状态的两相流，笔者以此为突破口和创新点，着重考察在调节阀CV公式中引入两相流的有效密度对实际结果的影响和数据的修正，即有效密度ρe计算公式：

(12)

式中：qmg——气体质量流量；qmL——液体质量流量；ρg——气体密度；ρL——液体密度；ψ——膨胀系数，由于发生阻塞流，所以此处ψ=0.667。

5 闪蒸工况调节阀CV计算

在炼油工艺中时常会遇到气-液两相流工况，如用常规算法，一方面不能保证调节阀的选择精度，另一方面还可能影响压降和背压系统的操作，甚至在某些工况下会产生危险因素。本文根据以上推导公式，结合实际工艺流程和仪表选型计算，对调节阀的CV做出全面翔实的计算实例。

则闪蒸因子：

7.7×10-5

压缩因子：

2.4×10-10

膨胀系数：

0.335

计算有效密度：

将以上各式计算值代入式(10)得：CV=10.24。

该阀门制造商所提供的CV值为11.9，其是按照常规方法分别计算气相和液相的CV值并简单相加而得。对比以上二者结果可以看出，在闪蒸工况两相流下计算调节阀CV时，仅考虑气液两相CV值并简单相加是不严谨的核算方法。采用传统方法所计算出的CV不能满足精确控制的要求。因此，由于采用了闪蒸因子和有效密度结合计算法，使得本文计算方法考虑更为全面，更加贴近实际工艺，一定程度上降低了危险隐患，提供了更加优良的操作环境。

6 结 论

闪蒸工况下两相流工况是调节阀计算中最为复杂严苛的状态，如何全面考虑该调节阀的控制水平并使之与整个工艺系统相匹配显得尤为重要。该调节阀计算方法参照已有公式并结合特有物性，全面考虑闪蒸中所发生的工艺状态对整个阀门系统的影响，从细节处杜绝了阀门选型的危险隐患，保证了调节阀的选择精度，降低了对压降和背压系统的操作影响。鉴于两相流调节阀计算理论不同于单相流[6]，在两相流领域的研究目前还未成熟，根据对以上大量的经验公式和模型假设的计算和分析，本文结合闪蒸因子法和有效密度法推导并实例验证了闪蒸工况下两相流调节阀的CV完整的计算方法，从而对以后相似的阀门设计提供借鉴和参考。

[1] 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京： 化学工业出版社，2000： 905.

[2] 唐紫英,赵衍武. 两相混合流体流量系数KV计算的新方法[J]. 抚顺学院学报,1998(02)： 50-53.

[3] 何谦,陈明洪,马志勇. 阻塞流及其对调节阀流量系数计算的影响[J].大氮肥,2004,27(03)： 190-193.

[4] 刘芳.控制阀闪蒸和空化现象及阻塞流的计算[J].石油化工自动化,2010,46(02)： 64-68.

[5] 张剑可.气液两相流调节阀流量系数计算方法研究[D].北京： 中国石油大学，2012.

[6] 胡国炜.气液两相流工况下调节阀的选型[J].山东化工,2013,42： 120-124.

Calculation of Flow Coefficient of Two-phase Flow Control Valve in Flashing Evaporation Working Condition

Feng Lu, Zhang Lulu

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd., Xi’an, 710065, China)

s： It is difficult to meet accurate flow control requirement with control valve selected through conventional calculation in flashing evaporation condition in industrial manufacture. According to safety valve discharge area and compressibility factor,as well as combination of site operation actual working condition, one combined method of flashing evaporation factor idea and efficient density is proposed. The calculation method is elicited with meeting control valve coefficient for gas-liquid two-phase flow under flashing evaporation working condition. The results show that data with adopting the calculation method is closer to that of actual process. Vacancy of calculation of two-phase flow control valve is perfected. It offers reference for the later similar calculation.

two-phase flow; flashing evaporation; flow coefficient; control valve

TH814

B

1007-7324(2017)04-0019-03