自力式调节阀的计算和选型
- 自力式调节阀主要应用在被控参数一旦调定后，不经常改变(调整)的场合，而被控参数经常改变(调整)的场合，应使用气动或电动调节阀；自力式调节阀一般应用在非腐蚀性工 艺条件下；被控参数不应超过或接近所选择的调整范围的极限值，应留有一定裕量；自力式温度调节阀一般用于温度变化比较缓慢的场合，不适用于温度急剧变化的场合；当介质温度超过140℃时，在控制管线安装隔离罐，当介质温度超过200℃时，除在控制管线安装隔离罐，还应在控制阀与执行机构之间加装散热片(不 同制造商的产品，此温度值会有所不同)；隔离罐应高于调节阀的执行机构而低于阀前后接管；对于非洁净流体，在阀前应安装过滤器，一般情况下，应将阀门倒立 安装，即控制阀在上，执行机构在下，此种安装方式可使其重心在下，有利于阀门的稳定运行。当介质温度低于80℃时，阀门可以正立安装，当介质温度高于 80℃时，则阀门必须倒立安装。
对自力式调节阀进行了介绍，并着重阐述了流量系数的计算方法，自力式调节阀的选择方法及选择时应注意的事项。
自力式调节阀是一种无需外来能源，依靠被调介质自身的压力、温度、流量变化进行自动调节的节能仪表。具有测量、执行、控制的综合功能。尤其适合于在无电源无气源的场合工作。广泛应用于城市供热、供暖系统及石油、化工、冶金、电力、轻工等工业部门的自控系统。
目前，由于各种因素的影响(包括工艺条件不准确，计算公式及计算方法上的差异及实际工艺条件与计算时考虑的工艺条件不一致)，加上不可预见的因素，往往理 论上计算出的数据，选择的产品不能满足现场实际需要。选择的调节阀口径过大或过小。选择的材料及公称压力不合适，同样会造成事故和不必要的浪费。本文将就自力式调节阀通用的选择原则、选择方法、流量系数计算及选择注意事项等进行阐述。
1 自力式调节阀介绍
自力式调节阀可分为自力式压力调节阀、自力式温度调节阀及自力式流量调节阀3种。其中自力式压力调节阀应用最为广泛。
1.1 自力式压力调节阀
根据作用形式的不同，自力式压力调节阀又可分为直接作用式和指挥器操作式2种。指挥器操作式自力式压力调节阀控制精度高，可比一般的直接作用式压力调节阀 高一倍左右，压力调节范围广，尤其是在微压方面，故适合在控制精度要求比较高或压力调节设定值比较小的场合应用。氮封装置就是其典型应用之一。
根据被调压力取压点的不同，又分为阀前压力调节型(K 型，用于背压调节)和阀后压力调节型(B型，用于减压调节)2种。阀前压力调节型自力式压力调节阀，其初始位置的阀芯在关闭位置，当阀前压力逐渐升高，阀 门逐渐打开，直至阀前压力稳定在要求的给定值；阀后压力调节型自力式压力调节阀，其初始位置的阀芯在开启位置，当阀后压力逐渐升高，阀门逐渐关闭，直至阀 后压力稳定在要求的给定值。
此外，还有一种自力式差压(微压)调节阀，也分为差压上升阀开启(K型)和差压上升阀关闭(B型)2种形式。将自力式差压调节阀的低压端通大气，即变为自力式微压调节阀。
1.2 自力式温度调节阀
自力式温度调节阀是基于液体受热体积膨胀的原理工作的。当温度升高时，温包内工作液体积急剧增大，使密封容室的压力增高，压迫波纹管向上移动，推动弹簧向 上位移，从而使推杆、阀芯也向上运动，关小阀门，使被调介质温度向设定值方向靠拢，阀芯便停留在新的位置上，即阀芯的位移正比于被测温度的变化量，形成一 定的比例调节特性。
自力式温度调节阀可分为温度升高阀开启(K型，用于冷却调节)和温度升高阀关闭(B型，用于加热调节)2种形式。
1.3 自力式流量调节阀
自力式流量调节阀(亦称流量限制器，或称恒流量调节阀)是具有恒流量功能的调节阀，它是将自力式的压差控制装置和流量调节装置组合而成的阀门，其工作原 理：用压差控制装置控制并稳定流量调节装置前后的压差，从而使阀门前后的压差大于恒流启动值之后，通过的流量不再随阀门前后的压差而变化，在压差控制的范 围内，通过阀门某一开度的流量能够自动保持恒定，流量的变化只需调节阀门开度即可实现，与阀门前后的压差无关。
自力式流量调节阀在城市集中供暖或中央空调的循环水管网系统中应用广泛。
此外，自力式调节阀的阀体有单座、双座及套筒3种形式；阀盖有标准型、加长型和散热型(适合温度350~550℃工况)；执行机构有膜片式(普通膜片、增强膜片和金属膜片)和活塞式2种。自力式调节阀一般采用快开流量特性。
2 自力式调节阀的选择
自力式调节阀在自控系统中，既是可调的节流元件，又是承受一定温度、压力的容器。所以在选择时，既要考虑其适用性，又要保证安全可靠。
2.1 选择的一般原则
具体选择时，应根据被调介质的种类、性质、温度、压力及工艺要求的其他条件，遵循以下的选择原则：阀的结构形式应能满足介质温度、压力、流动性、腐蚀性、 控制范围以及严密性要求；阀的材料应能满足介质温度、压力、腐蚀性要求；阀的额定流量系数及口径应能满足工艺的流量要求；阀的允许压差应能满足现场实际压 差的要求；阀的实际使用条件应与计算选择时考虑的相一致。
2.2 材料及使用温度的选择
选择材料时，主要考虑材料的强度、硬度、耐腐蚀及高温、低温的特性，首先应满足自力式调节阀的安全可靠，其次是使用的性能、寿命和经济性。在满足使用要求 的前提下，应尽量选择便宜、易得的材料。一般情况下，阀体和阀盖可选择多种材料制造(如：灰铸铁、球墨铸铁、铸钢及铸不锈钢)。而阀内组件一般用不锈钢材 料制造。
2.3 公称压力及压差的选择
根据工艺介质的最大工作压力来选择调节阀的公称压力时，必须对照工艺温度条件综合选择，因为公称压力是在一定基准温度下依据强度条件定出。一旦工作温度超过了基准温度，其允许的最大工作压力必定低于公称压力，这一点应该引起足够的重视。
除了注意选定调节阀公称压力外，在选用时，还应从推力角度出发，考虑调节阀能否正常工作的问题。用特征数值表达就是允许压差是否大于最大工作压差。因此，在选用时，要使最大工作压差小于阀的允许压差。
2.4 流量系数计算
流量系数Kv(或称流通能力)，是调节阀的重要参数。它反映流体通过调节阀的能力，亦即反映调节阀的容量。根据计算出的流量系数Kv值的大小，选择阀的额 定流量系数Kvs，就可以确定调节阀的公称通径。如果选择的额定流量系数过大，就会使调节阀经常工作在小开度的情况下，影响控制质量，引起振荡和噪音，缩 短阀的使用寿命。相反，如果选择的额定流量系数过小，则会使调节阀的开度过大，阀门超负荷运行，不能满足流量要求，容易出现事故，造成不必要的浪费。为了 合理选择调节阀的尺寸，必须正确计算调节阀的流量系数Kv值。
调节阀的额定流量系数Kvs定义：在规定条件下，即阀的两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3时，额定行程时流经调节阀的流量是以立方米每小时或吨每小时计的流量数。
2.4.1 液体的Kv值计算
1)非阻塞流
判别式 (1)
流量系数计算公式
(2)
(3)
式中 FL— 压力恢复系数；
FF— 液体临界压力比系数；
PV— 阀入口温度下，介质的饱和蒸汽压(绝对压力)，kPa；
Pc— 热力学临界压力(绝对压力)，kPa；
qv— 液体流量，m3/h；
ρ— 液体密度，g/cm3；
P1— 阀前压力(绝对压力)，kPa；
P2— 阀后压力(绝对压力)，kPa。
2)阻塞流
判别式 (4)
流量系数计算公式
(5)
由式(5)可以看出，在阻塞流情况下，Kv值的计算公式有变化，压差一项用FL2(P – FFpv)代替实际压差P1- P2。这样，比用实际压差计算出的Kv值要大，即由于阻塞流的作用，使阀的流通能力不能充分发挥，必须按更大的Kv值来选择阀的口径，才能满足流量的要 求。
2.4.2 低雷诺数Re修正(高黏度液体Kv值计算)
液体黏度过高时，由于雷诺数下降，改变了流体的流动状态。在Re<2300时，流体处于层流低速流动，这样按原公式计算出的Kv值就会导致较大的误差，实际流通能力达不到计算值，必须进行修正。当液体为高黏度时，调节阀流量系数Kv 的计算公式为
(6)
式中 ψ— 黏度修正系数，按Re查图1求得。关于Re在流体力学中已有论述，主要与流体性质及流经的管路两方面因素有关。对于只有1个流路的自力式调节阀(如单座阀、套筒阀等)，Re的计算公式为
(7)
对于只有2个平行流路的自力式调节阀(如双座阀)，Re的计算公式为
(8)
式中 Kv— 不考虑黏度修正时的流量系数；
v— 流体运动粘度，10-6m2/s。
2.4.3 气体的Kv值计算
气体与液体不同，它具有可压缩性。气体流过调节阀后，密度变小，不能再用液体公式来计算。关于气体的Kv值计算方法，目前有阀前密度法、阀后密度法、平均 密度法、压缩系数法等多种方法。因为平均密度法的计算结果比较接近实验数据，故应用最多。这里推荐采用平均密度法来计算气体的Kv值。
当P2>0.5p1时
(9)
当P2≤0.5p1时
(10)
式中 qvN— 标准状态下气体流量，m3/h；
Pm— 绝对压力，kPa；
Δp— 阀前后压差，kPa；
d — 气体相对密度，空气d=1；
t — 气体温度，℃ 。
2.4.4 蒸汽的Kv值计算
1)饱和蒸汽
当P2>0.5p1时
(11)
当p2≤0.5p1时
(12)
式中 qv蒸— 蒸汽流量，kg/h；
K— 蒸汽修正系数，各种蒸汽的K值：水蒸汽 K=19.4，甲烷、乙烯蒸气 K=37，氨蒸气K=25，丙烷、丙烯蒸汽 K=41.5，氟利昂11 K=68.5，丁烷、异丁烷蒸气 K=43.5。
2)过热水蒸汽
当P2>0.5p1 时
(13)
当p2≤0.5pl时
(14)
式中 Δt— 水蒸汽过热温度，℃。
2.4.5 两相流的Kv值计算
当介质为气液两相流时，一般采用分别计算液体的Kv液和气体的Kv气值，然后相加求取调节阀总Kv值。
Kv=Kv液+Kv气
这种方法是基于两种介质相互独立，互不影响的观点。但实际上，随着液相和气相组成成分的变化，流体的状态趋向也不同，因此，计算出的Kv值误差较大。
2.5 调节阀的口径选择
2.5.1 一般的选择步骤
根据生产能力、设备负荷确定最大流量和最小流量qvmax、qvmin；根据系统特点、压力分配和管路损失，确定最大压差和最小压差Δpvmax 、Δpvmin；按流量系数计算公式，求得最大流量和最小流量时的流量系数Kvmax、Kvmin；根据求出的Kvmax，在产品样本中选取大于 Kvmax，并最接近Kvmax的Kvs值；由计算出的Kvmax，Kvmin验算阀的开度(一般要求阀开度在10%~80%之间)；根据Kvmax、 Kvmin计算可调比R(一般要求R=Kvmax/KVmin≤30∶1)；各项计算验证合格后，根据Kvs值，确定调节阀的口径。
2.5.2 常用的选择步骤
按照qvmax及Δpvmin 计算出Kvmax；将Kvmax乘以(1.3~1.5)，求得Kvmax(根据具体情况定)；按K vmax选择Kvs (查产品样本)，应选择最靠近Kvmax且大于Kvmax的Kvs值，保证Kvmax/Kvs≤0.75，按Kvs值，确定调节阀的口径。
但是应保证液体流速在2.5m/s以下，气体流速在80~100m/s以下，否则易产生噪音。
2.5.3 自力式流量调节阀的选择
当介质为液体时，自力式流量调节阀的口径选择将有所不同。实际上有效压力(指调节阀节流阀板前后的压差)下的最大流量已经限制了自力式流量调节阀的流量值，所以在选择阀流量时，不能按照Kv值选择，只能按照工艺条件qvmax的大小选择流量。
根据qvmax值的大小和系统压差来选取合适的流量，然后确定Kvs值和阀的口径。选择时应注意阀前后压差应大于有效压力，还应注意阀的开度。自力式流量调节阀一般多用于液体介质的流量控制。
当介质为气体时，应保持气体的压力比较稳定。在计算时，应按Kv值选取阀的口径。
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