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1、海川化工论坛： denghl 制作整理 FROM：宁波镇洋化工发展有限公司 1控制阀流量系数（口径）计算 目 录 一 控制阀的节流原理及流量系数 C（flow Coefficient）的定义.2 二 阻塞流（chocked flow）.3 三 不可压缩流体的 C 值计算公式.6 四 不可压缩流体的 C 值（口径）计算实例.9 五 可压缩流体的 C 值计算公式（一）.12 六 可压缩流体的 C 值计算公式（二）.13 七 可压缩流体的 C 值计算实例.17 八 阀位验算.18 九 闪蒸、空化与汽蚀.22 十 总结.23 海川化工论坛： denghl 制作整理 FROM：宁波镇洋化工发展有限公司
2、2参考文献： 1、 石油化工自动控制设计手册 2、 控制阀工程设计与应用 3、 气动调节仪表 4、GB/T 17213 工业过程控制阀 5、FISHER 控制阀手册第四版 6、Masoneilan CONTROL VALVE SIZING HANDBOOK 7、azbil 调节阀的选择和口径计算 8、重庆川仪气动调节阀选型样本 一 控制阀的节流原理及流量系数 C（flow Coefficient）的定义 在控制阀全开时，文献 2 给出了根据伯努利方程得出的流量方程： Q：体积流量 A：是对取压点位置、缩流处面积、压力损失等进行综合修正的系数 ：可膨胀性系数，用于对密度的变化进行修正。对不可压缩
3、流体 =1 E：控制阀流通面积 1：入口处流体平均密度 ：阀座与管道的直径比 p1：阀前压力（绝对压力） p2：阀后压力（绝对压力） N：与单位制有关的系数，无量纲 控制阀在任何开度时，文献 1 给出了另一种表达方式： h：控制阀上的压头损失 v：控制阀阻力系数，随阀门开度而变化，表示的是节流效应，仅与控制阀的结构有关 w：流体的平均速度 可见，流量系数 C 不仅与流通面积有关，还与阻力系数即控制阀的流路形式有关。同 类结构的控制阀具有近似的阻力系数，口径越大，流量系数也越大；不同类型的控制阀阻力 系数不同，如同口径的控制阀，单座阀阻力大，而蝶阀和球阀的阻力小。 从上式得出流量系数 C 的计算
4、公式为： 海川化工论坛： denghl 制作整理 FROM：宁波镇洋化工发展有限公司 3M：质量流量 流量系数表示符号有三种： Kv：国际单位制，540的水，在 100kPa 的阀两端压差下，每小时流过控制阀的立方米数。 Cv：英制，4060的水，在 1psi 的阀两端压差下，每小时流过控制阀的美国加仑数。 C： 工程单位制， 540的水， 在 1kgf/cm2 的阀两端压差下， 每小时流过控制阀的立方米数。 三者关系为：Cv=1.156 Kv Kv=1.01 C C=0.875 Cv 其中阀两端压力 P1 和 P2 的取压点为： 二 阻塞流（chocked flow） 是指当阀前压力 P1
5、保持一定，而逐步降低阀后压力 P2 时，流经控制阀的流量会增加到一 个最大极限值，在继续降低压力 P2，流量不再增加，此时的流动状态称为阻塞流。形成阻 塞流后 Q 不再正比于 SQR（P） 不可压缩流体（液体）与可压缩流体（气体、蒸汽）阻塞流形成的机理是不同的。 海川化工论坛： denghl 制作整理 FROM：宁波镇洋化工发展有限公司 4（1）不可压缩流体。当控制阀缩流处压力小于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力 Pv（绝 对压力）时，部分液体发生相变，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。 几个概念： Pcr：发生阻塞流时的最小出口压力 Pcr：发生
6、阻塞流时的最大压降 Pvc：缩流处的压力 Pvcr：发生阻塞流时缩流处的压力 Pvcr = FF *Pv FF：液体的临界压力比系数，即阻塞流条件下缩流处压力 Pvcr 与入口温度下液体的饱和蒸 汽压力 Pv 之比。是 Pv 和液体临界压力 Pc 之比的函数： 为了在计算 C 时能事先确定产生阻塞流时的阀压降Pcr，引入一个压力恢复系数 FL： FL表示流体流经缩流处后，动能转换为静压的恢复能力，也即压力恢复的程度，对于 一个特定形式的控制阀，FL只与控制阀的结构、流路形式有关，与阀门口径无关。FL越小， 说明控制阀流路设计好，压力恢复能力强，静压越能恢复到接近入口压力。 判断产生阻塞流的条件
7、：当 P=（P1-P2）FL2 （P1- Pvcr）= FL2 （P1- FF Pv）时， 则产生阻塞流。因为 FL仅与阀门的型式有关，FF是 Pv 和 Pc 的函数，而 Pv 和 Pc 又是物质 的固有物理属性，因此，只要入口温度和入口压力 P1 确定，则生产阻塞流的条件 P 就唯 一确定，此时只要以 FL2 （P1- FF Pv）作为阀两端压差来计算正确的流量系数。 Pv：饱和蒸汽压，指在一个密闭空间内，某种物质在给定的温度下，该物质的液相、气相海川化工论坛： denghl 制作整理 FROM：宁波镇洋化工发展有限公司 5共存时的气体压力。此时，蒸发/凝结过程达到动态平衡。同一物质在不同温
8、度下有不同 的蒸汽压，并随着温度的升高而增大。例如，在 100时，水的饱和蒸汽压为 101324.72Pa。可以这么理解，在这个压力下，水的最高温度只能达到 100。 Pc：临界压力，物质处于临界状态时的压力（压强） 。就是在临界温度时使气体液化所 需要的最小压力，也即液体在临界温度时的饱和蒸气压。临界点临界点是可使一物质以液态存 在的最高温度或以气态存在的最高压力，当物质的温度、压力超过此界线，即临界温度及临 界压力，会相变成同时拥有液态及气态特征的流体：超临界流体。例如，水的临界压力是 227.98105Pa（225 大气压） ，水的压力越高，水的沸点（也称饱和温度）也越高。在 临界压力下
9、，水加热到沸点 374（称临界温度）时，一下子全部变成饱和蒸汽。此 时，饱和蒸汽和饱和水的比重相同，两种状态没有任何区别。 （2）可压缩流体。 定义压差比 x=P/P1=（P1-P2）/P1，当产生阻塞流时 x 是一个固定的常数，称为临界 压差比 xT，其值只决定于阀的结构，即流路形式。xT越小，说明控制阀流路设计好，压力 恢复能力强。 判断产生阻塞流的条件：xFxT，F是可压缩流体的比热容比系数，空气为 1，其 它气体的比热比系数为 F=/1.4， 是比热容，当被测气（汽）体服从理想气体定律时，等 熵指数等于比热比，比热比与气体种类、温度、压力等有关，一般单原子气体为 1.67，双 原子气体
10、为 1.4，多原子气体为 1.29 因此，只要入口压力 P1 确定，则生产阻塞流的条件 P 就唯一确定，此时只要以P =P1*FxT作为阀两端压差来计算正确的流量系数。 海川化工论坛： denghl 制作整理 FROM：宁波镇洋化工发展有限公司 6三 不可压缩流体的 C 值计算公式 （1）紊流、非阻塞流、无附接管件 非阻塞流判别式：P FL2 （P1- FF Pv） （2）紊流、非阻塞流、带附接管件 非阻塞流判别式：P（FLP /FP）2（P1- FF Pv） （3）紊流、阻塞流、无附接管件 阻塞流判别式：P FL2 （P1- FF Pv） （4）紊流、阻塞流、带附接管件 阻塞流判别式：P （
11、FLP /FP）2（P1- FF Pv） （5）非紊流（层流、过渡流） Q：体积流量，单位 m3/h ：在入口温度、入口压力 P1 下的密度，单位 kg/m3 0：15时水的密度，为 1000kg/m3 /0：流体相对密度，在数值上就是流体的比重 P：单位 kPa 为什么有系数 10 呢？因为流量系数的定义是规定在 100kPa 的差压条件下。 海川化工论坛： denghl 制作整理 FROM：宁波镇洋化工发展有限公司 7除阻塞流外，影响流量系数计算的因素还有： 阀两端与管道间安装的附接管件。 特别是当控制阀的公称通径小于管道直径时， 阀前会有 缩径管，阀后会有扩径管。原加在控制阀两端的压差中
12、，实际上已包括了这些附接管件的压 力损失， 而真正加在控制阀两端的压降便小于计算阀压降， 因此对未考虑附接管件时计算得 到的流量系数要加以修正。 FP：管件形状修正系数。是控制阀两端装有附接管件测得的流量，与不装附接管件时在 相同的工作条件下测得的流量之比。 C100：初步选定的控制阀额定流量系数 d：控制阀公称通径，mm ：管件压力损失系数 =1+2+3-4 1：上游阻力系数，=0.51-（d/D1）2 2 2：下游阻力系数，=1.01-（d/D2）2 2 3：控制阀入口处伯努利系数，=1-（d/ D1）4 4：控制阀出口处伯努利系数，=1-（d/ D2）4 D1/D2：上/下游管道直径 当
13、 D1=D2 时，=1+2=1.51-（d/D）2 2 FLP：有附接管件时的压力恢复系数与管道形状修正系数的复合系数。 流体流动状态。 流量系数是在湍流条件下测得的， 雷诺数 Re3500 时 C 值基本上为常数， 但 Re 减少时 C 值会变小，在层流状态下流量与阀压降成正比而不是开方关系，因此需要进 行修正。 FR：雷诺数修正系数。根据文献 1 的方法，FR可以从下图中查得，其中控制阀内雷诺数 Rev 计算公式为： 海川化工论坛： denghl 制作整理 FROM：宁波镇洋化工发展有限公司 8对具有两个平行流路的控制阀，如双座阀、蝶阀、偏心旋转阀等， 对只有一个流路的控制阀，如单座阀、套
14、筒阀、球阀等， ：流体介质的运动粘度，单位 cSt（10-6m2/s） 注：文献 2 和 GB/T 17213 提供的计算 Rev 和 FR的公式过于复杂，而且还要使用迭代方法， 还区分流动状态（层流或者过渡流） 、是否有附接管件。这里不予介绍。 海川化工论坛： denghl 制作整理 FROM：宁波镇洋化工发展有限公司 9四 不可压缩流体的 C 值（口径）计算实例 （1）非阻塞流、无附接管件 条件： 流体：水 流量：Q=360m3/h 入口绝对温度：T1=363K 入口绝对压力：P1=680kPa 出口绝对压力：P1=220kPa 密度：=965.4kg/m3 入口饱和蒸汽压（绝压） ：Pv=70.1kPa 液体临界压力（绝压） ：Pc=22120 kPa 运动粘度：=0.326*10-6m2/s 管道口径：D=150mm 控制阀类型：单座直通柱塞阀，流开 控制阀口径：d=150mm 计算： 查表得流体流体压力恢复系数 FL=0.9， FF=0.96-0.28SQR(Pv/Pc)=0.9442 确定流动形态：FL2 (P1-FFPv)=497.2kPaP=460 kPa，为非阻塞流 Kv=10Q*SQR1/(0*P)=164
