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計算控制閥的安裝流量和增益
來源: | 作者:environment-380 | 發布時間: 2021-05-07 | 6694 次瀏覽 | 分享到:
        指定控制閥時，涉及多個任務。首先，必須選擇閥門的樣式。這通常是基于過程參數（例如壓力，溫度，介質的腐蝕性和磨蝕性），工廠偏好和經濟性的綜合考慮。接下來，需要選擇閥門的固有流量特性（線性或相等百分比）。有選擇固有特性的經驗法則。例如，一些權威人士建議，由于管路短而動態壓力損失很小的系統，以及諸如隔離閥，彎頭，熱交換器等其他壓力消耗少的系統，其線性特性很小。對于管路長的系統和其他壓力消耗元件，建議使用等百分比的閥門。

        在正常操作過程中，規格說明者還必須考慮閥門應使用多少控制范圍的標準。例如，通常建議閥在最大要求流量時開度在約60％至80％之間，以提供足夠但不過度的安全系數，并在可能的情況下盡可能在最小要求開度下不少于20％。避免流量特性在開度低于10％時無法預測。一旦確定將使用哪種閥門樣式，便可以使用許多可用的閥門尺寸計算程序之一來執行尺寸計算。

        可以幫助說明者選擇閥門的兩個工具是正在考慮應用的所有閥門的已安裝流量特性1和已安裝增益2的圖表。圖1顯示了針對相同應用的兩種可能的閥選擇（部分球閥，其固有流量等百分比）的安裝流量特性和安裝增益，其中該過程包括長管道運行和離心泵。6英寸的閥門將在10％的行程范圍內控制所需的80至550 gpm的流量范圍，而在40％的開啟范圍內則僅控制其全部行程能力的30％，這使得流量對閥門位置變化非常敏感。在低端沒有太多的安全系數，超過最大流量550 gpm的流量浪費了很多，這既昂貴又不必要。

        3英寸的閥門將控制所需的全部流量范圍，在其全行程能力的50％左右（開度為22％至72％）之間，從而使流量對閥門位置變化的敏感性降低。最小和最大指定流量對稱地放置在閥門的已安裝流量特性上，并且在指定控制范圍的每一端都具有相同數量的安全系數。



        圖1：比較同一系統中的兩個閥的樣品控制閥安裝流量和安裝增益特性。添加了重點以顯示圖表的一部分，該部分屬于用戶指定的流量范圍，介于最小所需流量和最大所需流量之間（80至550 gpm）。

        通常，已安裝的流量特性以相對流量與相對行程的關系圖表示，如圖1所示。該流量以0到1的比例繪制，即從零流量到完全打開流量的100％，并且閥行程為以0到1的比例繪制圖形，即從完全關閉到完全打開。該圖很好地直觀顯示了流量與閥門行程的線性關系，以及所需流量范圍在閥門行程范圍內的位置。繪制相對流量圖所遺漏的是所考慮的閥門的已安裝流量圖的相對斜率。如果已安裝的流量圖上的兩個閥門以gpm（或kg / h）的垂直刻度繪制，則6英寸閥門的圖表在100％打開（相對行程為1.0％）時會高得多，其斜率將是陡峭得多。

        繪制安裝增益的圖形可以從不同方面說明控制閥的安裝性能，并將不同尺寸和不同樣式的閥放在同一根基上，以便對其進行檢查和比較。任何設備的增益定義為輸出的變化率除以輸入的變化率。對于控制閥，輸入是閥的位置，輸出是通過閥的流量。在已安裝的增益圖上，流量刻度顯示為相對流量，參考點為用戶指定的最大所需流量。用戶的最大指定流量稱為Qmax。

        在圖1中，Q / Qmax標尺上的1.0表示示例的最大指定流量550 gpm，而Q / Qmax標尺上的0.4表示220 gpm。這樣做是為了使不同樣式和尺寸的閥門可以直接相互比較。

        極低的增益是不希望的，因為低增益意味著當閥門移動時，流量變化不大。為什么不希望獲得高收益可能并不那么明顯。具有高增益的音頻放大器可能是理想的。但是，控制閥是機械設備，因此，在相互接觸的情況下運動的零件在不運動時往往會粘住。如果閥由于在不移動時容易卡住而只能定位在所需位置的2％之內，并且增益為4，則流量只能在8％的步幅內進行調整，這可能是不希望的。一家閥門制造商為指定流量范圍內的安裝增益推薦以下增益標準：

        增益0.5

        獲得3.0

        盡可能恒定

        盡可能接近1.0

        增益（最大）/增益（最小）2.0

        將所需流量范圍內的增益變化限制為2到1的原因是，可以更輕松地調整控制器以在整個所需流量范圍內獲得穩定和快速的響應。

         除了使用已安裝的流量和增益分析來比較不同的閥門尺寸外，它在比較同一系統中的不同閥門樣式時也很有用。假設有人將其安裝在10英寸分段球閥上進行應用。采購代理可能會指出10英寸的高性能蝶閥會更加經濟。部分球閥通常具有接近完美的等百分比固有流量特性，而高性能蝶閥的固有流量特性介于線性和等百分比之間。那么，哪一個是最佳選擇？它確實取決于系統。具有較大動態損失的系統可能會通過扇形球閥得到更好的控制，但是具有中等動態損失的系統可能會受到高性能蝶閥的更好控制。已安裝的流量和增益分析可以幫助做出選擇。

        一些截止閥往往具有低于理想的固有線性或等百分比的固有流量特性。對于特定系統，偏心旋轉旋塞閥會是一個不錯的選擇嗎？

        這里介紹了一個用于創建已安裝流量和增益圖的簡單過程模型。該方法基于以下原理：管道壓力損失大約與流量平方成正比。該過程模型僅對完全湍流有效，應視為近似值。

        為了說明該方法，此處已在Microsoft Excel中實現了該方法。此處顯示了作者的Excel工作表，分為三個表。表1到表3顯示了足夠的細節，因此具有Excel經驗的任何人都應該能夠實施有效的Excel工作表。或者，用戶可以在其首選的編程環境中實現該方法。該方法包括使用用戶首選的控制閥選型軟件，并結合過程模型根據用戶在表1的D25中輸入的流量計算出的P1和P2或Delta P值。



表1：過程模型
        表1至表3中的樣本計算基于圖2所示的系統。系統的靜態分析產生了表中所示并以圖形方式顯示的壓力值。該計算基于對3英寸部分球閥的分析，該球閥具有等百分比的固有流量特性。

        因為系統中涉及大量管道，所以事實證明安裝的流量特性接近線性。



圖2：示例安裝的流量和增益計算中使用的系統
        在不考慮閥門實際安裝系統的情況下，無法任意指定尺寸計算中使用的Δp。必須記住的是，除控制閥（管道，配件，隔離閥，熱交換器等）外，系統的所有其他組件都是固定的，且處于系統所需的流量下（將熱化學藥品冷卻到指定溫度或在罐中保持指定液位），這些固定元件中的每個固定元件的壓力損失也都固定。

        只有控制閥是可變的，并且它連接到自動控制系統。控制系統將調節閥調節至建立所需流量所需的任何位置，從而達到規定的溫度，液位或其他要求。在這一點上，整個系統壓差（系統開始時和系統結束時的壓力之差）未被固定元件消耗的部分必須出現在整個控制閥上。

        進行計算

        在表1中，基于過程模型，單元格D25中的流量條目將產生該流量時的P1，P2和增量P（控制閥兩端的壓降）值。在D25中，唯一需要用戶費力的流量輸入是所考慮的閥門完全打開時的流量。這需要一些簡單的猜測工作。

        一個很好的第一選擇是輸入指定的所需最大流量增加10％。使用流量的第一個猜測，將其輸入D25。另外，將您的流量估算值與P1以及在D列中為該流量計算出的P2或Delta P輸入到您首選的控制閥軟件中，并觀察定徑程序返回的閥行程百分比。目的是優化您的流量猜測（輸入到過程模型和閥門選型程序中），直到閥門行程盡可能接近100％。

        在工作表（表2中所示）的單元格L35中輸入此完全開放的流量，然后在第35行中填寫所有剩余流量。（全開流量X相對流量。）這可以通過簡單的公式或手動完成。同樣，用過程模型和CV中的P1和Delta P來完成L列，并根據閥門尺寸調整程序來完成相對行程。可以使用過程模型和大小調整程序來填寫其余列表數據。



表2：繪制已安裝的流量特性圖

        此時，您已具有使用表2中的指示來構建相對流量與相對行程的圖所需的所有數據。然后，您將具有足夠的信息來填寫表3的已安裝增益圖表的表格數據并進行構造按照表3中的說明安裝增益圖。



表3：繪制安裝增益圖

        您可以通過兩種方法在已安裝的流程圖上標記最小和最大指定流量的點。一種方法是，您可以從閥門尺寸計算中找到相對的最小和最大指定流量與安裝的流量圖相交的位置。當您將閥門的最小和最大指定流量點的大小定為百分比開度時，相對行程將由您的尺寸確定程序計算得出。將其除以100得到相對行程。第二種方法是，您可以找到在Qmin /全開流量時已安裝的流量圖與相對流量標度上的最小指定流量相交的位置，以及在Qmax /全開流量時，您可以找到安裝的流量圖與相對流量標度上的最大指定流量相交的位置。

        在安裝的增益圖中，給定的最大指定流量在Q / Qmax刻度上始終為1.0。Q / Qmax標尺上的最小設計流為Qmin / Qmax。對于用戶正在過程D的第9列至第14列中輸入的系統參數表示的系統所考慮的任何閥門尺寸或樣式，已安裝增益圖的Q / Qmax刻度上的這兩點將相同。模型，可以輕松比較它們的控制功能。

        參考

        喬恩·蒙森（Monsen），《閥門選徑內幕指南*選擇》，Flow Control，2015年2月，第XXI，第2號，第29-32頁。

        喬恩·蒙森（Monsen，Jon），《將安裝增益作為控制閥選型標準的內幕人士指南》，Flow Control 2015年5月，第1期。XXI，第5號，第22-25頁。



        喬恩·蒙森（Jon F. Monsen），體育博士，是華菱公司（Valin Corporation）的控制閥技術顧問，擁有30多年的經驗。他在國內和國際上就控制閥的應用和尺寸進行了演講，并且是《ISA實踐指南》中有關控制閥的“計算機控制閥尺寸”一章的作者。Monsen還是《控制閥應用技術：選擇正確的控制閥的技術和注意事項》一書的作者。
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