控制阀的控制原理及流量系数的简要计算

3月南京同一地点平行召开以下三个会议，点击标题可查阅，欢迎参加！

更新：3月18日-20*南京*第三届全国催化加氢工艺及催化剂技术开发与工业应用交流研讨会

更新：3月18-20日*南京*精细化工连续化工艺开发及连续流技术研讨会

3月18-20日*南京*有机合成工艺危险反应和工程放大专题培训班

在蒸汽应用中，蒸汽控制阀的控制效果会直接影响到工艺控制的精准性和稳定性。之前我们和大家分享了如何提升工艺加热的效果以及控制阀的阀芯流量特性选择。

在控制阀选择了合适的阀芯流量特性后，我们需要通过现有工艺参数来计算并得到阀门的合适口径，以达到阀门理想的控制效果。

众所周知，一台用于工艺控制的蒸汽控制阀需要有合适的口径，过大或者过小都会影响到工艺参数控制的精准和稳定。

那么该如何确定我们的工艺应用该选择什么口径的蒸汽控制阀呢？

在控制阀中，被控介质蒸汽是一种可被压缩的气体。因此在控制阀内部，蒸汽的压力、流速会发生变化：

一、控制阀内蒸汽的压力变化

控制阀可以类比渐缩渐扩喷嘴，都有高压区（阀门进口）、缩流断面（阀芯阀座之间进口）、喉口（阀芯阀座之间最窄的间隙）、扩流断面（阀芯阀座之间出口）、低压区（阀体下游）。

图1：渐缩渐扩喷嘴

图2：控制阀内部的渐缩渐扩原理

二、控制阀内蒸汽的流速变化

蒸汽在控制阀内部不同位置的压力是不断变化的。根据能量守恒定律，压力能与机械能之间互相转化，这将使得阀门内部不同位置具有不同的流速：

图3：控制阀内部各位置的流速

其中：压力最低点（即喉口位置）将具备最高的流速Vvc，这个流速（Vvc）在一般的应用情况下能达到m/s以上，峰值情况下可能到达最高速度m/s左右（不同参数下蒸汽介质中的音速）。

小贴士：这也是为什么我们建议在控制阀前安装汽水分离器的原因。

通过对控制阀内部流量、压力、流速变化的分析，我们可以得到蒸汽在控制阀内部流量与压力之间的变化关系图：

图4：一个全开控制阀压力与流量之间的变化关系

图中所示是一台蒸汽控制阀全开时的压力与流量之间的变化关系（此时蒸汽进口压力维持在10bara）：

随着下游蒸汽压力的下降，蒸汽流量增加，但此时两者之间并不是一个线性变化关系；

当下游压力下降到一个定值时，蒸汽流量达到一个最大值，之后哪怕下游蒸汽压力继续下降，蒸汽流量也不再增加。此时的这个压降值我们称之为“临界压降”；

临界压降：上游与下游压力的压差是上游压力的42%，即当上游压力值为10bara时，下游的临界压力值为5.8bara（注意此过程的压力均为绝对压力bara）。

结论：结合以上蒸汽控制阀的原理及过程，在控制阀选型时需要考虑到用汽点实际的负荷变化范围以及精度的要求，选择合适口径的控制阀及配套系统：

控制阀选型过大：可能会引起控制阀的震荡，被控参数震荡，控制阀也易损坏，影响阀门寿命；

控制阀选型过小：流量达不到工艺使用的要求，被控参数到不了设定值，或者加热速度变慢。

当我们确定了系统的匹配（即控制阀上、下游压力，所需流量的变化范围）之后，就可以根据匹配好的压力和流量来选择合适的蒸汽控制阀口径（以下计算过程是基于实际应用情况下的经验计算公式）：

1.蒸汽应用，压差低于临界压降时，蒸汽控制阀流量系数Kv值的计算公式：

2.蒸汽应用，压差高于临界压降时，蒸汽控制阀流量系数的计算公式：

W：蒸汽流量（kg/h）

P1：蒸汽控制阀前的绝对压力（bara）

P2：蒸汽控制阀后的绝对压力（bara）

X：压差系数（P1-P2）/P1

一般蒸汽控制阀选型时建议开度控制在15%-85%之间，再结合之前文章中所说明的蒸汽控制阀建议选择等百分比阀芯。因此，在实际选型蒸汽控制阀口径时，计算所得的Kv值建议不超过所选口径蒸汽控制阀的85%开度对应时的Kvs值。

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