调节阀特性及海上油气生产系统调节阀计算.pdf

.37-第10 期调节阀特性及海上油气生产系统调节阀计算叶雷、李季、崔正清、王彦瑞（海洋石油工程股份有限公司，天津3 0 0 4 5 7）摘要】新建或改造海上油气生产平台系统时，掌握选择的调节阀种类及流量特性知识并利用专业计算软件计算出的流量系数，依据厂家资料选择及校核合适尺寸调节阀。【关键词】调节阀；流量特性；流量系数；计算校核1引言海上油气生产平台作为海洋油气开发、处理及外输的大型海上建筑，其上部组块安装的大量工艺设备需要调节阀门实现工艺流程中流量、压力、温度、液位等参数稳定在操作生产目标值处，实现该些工艺参数控制的实质是调节工艺设备进或出口处的流量。调节阀的作用相当于节流面积随着阀芯变化而变化的孔板。调节阀门的计算工作主要是依据工艺参数计算出调节阀的流量系数（流通能力）范围。海洋油气工程设计工作中使用的计算工具为鹰图公司Intools软件。2调节阀门特性2.1调节阀门流量特性调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对行程之间的关系，即Q/Qmax=f(1/L)，Q 为阀门某一开度的流量，Qmax为阀门全开度流量，1为调节阀某一开度行程，L为调节阀的全行程。不同厂家统一尺寸规格的调节阀Qmax与L不同。常用的调节阀固有的流量特性（理想流量特性）有四种，其种类及特性曲线见图1。1008060快开特性直线特性40对数特性20抛物线特性003488R889相对行程(/L)%图1调节阀典型理想流量特性曲线1.直线流量特性：Q/Qmax=1/R+(1-1/R)*1/L，由公式及图形曲线可知其调节特性为：调节放大倍数是常数，小开度处流量变化也较大，调节作用强，但调节过程易振荡；大开度时调节作用弱，调节性能差。2.对数流量特性（等百分比流量特性）：Q/Qmx=RVL或Q/Qmx=eVL1)）mk，其调节特性为：调节阀的放大倍数随流量增大而增加，流量的相对变化值近似相等。小开度处放大倍数小，调节作用缓和、平稳；大开度处放大倍数大，调节作用灵敏、有效。3.抛物线流量特性：Q/Qmax=1/R1+(I/R-1)*1/L，该流量特性的调节阀可弥补直线特性在小开度时调节性能差的缺点，调节特性介于直线与对数流量特性之间。4.快开流量特性：该类调节阀在开度小时就有很大流量，随着开度增大，流量很快达到最大值，适用快速启闭的切断或双位调节工况要求。上述中的R为调节阀的可调比：调节阀最大可控流量与最小可控流量的比值。一般可取R=30。在调节介质的压力和温度及流量时，选择等百分比流量特性比较符合期望；而在调节液体液位时，选择直线流量特性比较符合期望。2.2调节阀门种类选择用于调节流量的阀门种类较多，比如蝶阀、球阀及截止阀等，不同种类阀门的调节特性及应用不同：蝶阀结构紧凑、价格便宜、能通能力作者简介：叶雷，男，（19 8 8-），工程师，毕业于哈尔滨工程大学，自动化专业，仪表控制设计。38-2023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备大，在转角7 0 0 前流量特性相似于对数特性，但阀门泄漏量大，适用低压差、大流量气体和带悬浮物流体的场合；球阀具有流通能力大、流量调节阀范围大，流量特性为快开特性，常用的V形球阀的V形口与阀座有剪切作用，适合用于纤维、纸浆及含有颗粒等粘性介质的调节和切断；截止阀中直通及角型单座调节阀常被选用，直通截止阀阀门具有关闭时泄漏量小、不平衡力大、调节性能好，阀芯易于更换及维修等优点；角型截止阀可用于进出口压差较大的工况，避免高压差气蚀等恶性阀芯损坏。海上平台选用的调节阀常用于黏性较低的介质，如气体、水和流动性好的原油或其混合液态，而且在一定时间生产过程中的流量变化范围不是很大，所以通常选用的调节阀为截止阀中的直通或角型型。2.3截止型调节阀的阀芯选择截止型式阀分为单座式与套筒式：单座式是通过改变阀芯与阀座间有效面积改变介质流过流量，具有结构简单、密封性好优点；套筒式式阀芯与阀座之间增加套筒结构，是通过改变阀芯遮挡套筒上开孔的流通有效面积而改变介质流过流量，具有阀芯可开有平衡孔，减小不平衡力，可调比大、振动小、不平衡力小、互换性好的优点。依据流通有效面积的变化曲线，设计阀芯或套筒开孔形状实现阀门不同流量特性。阀芯和套筒开孔形状及对应流量特性见图2。等百分比线性快开等百分比线性快开套筒式开孔形状图2 阀芯和套筒开孔形状及对应流量特性3调节阀尺寸计算3.1调节阀流量系数调节阀的流量系数（表征阀门流通能力的参数）国际上常用Cv、K v 来表示。流量系数Cv是指温度为4 0 6 0 F的水在1PSI（磅/平方英寸）的压降下，阀门某开度下每分钟流过阀门的（美)加仑数；Kv是指温度为5 4 0 的水在10 0 kPa的压降下，阀门某开度下每小时流过阀门的立方米数；一些厂商使用的Cg常用于表示可压缩流体的流量系数。他们之间换算关系为：Cv=1.167Kv;Cg=40Cvl/Xt其中Xt为阀门的固有系数（此值咨询厂商，无法确定时可取0.6)。3.2调节阀流量系数计算及尺寸选择3.2.1调节阀流量系数计算基本公式由理想流体的伯努利方程能量守恒原理推导得出Kv值与流量Q基本计算公式为：Kv=QIG/P,公式中变量为工况下工艺参数，其中P为阀全开时阀门前后工况下压差（kPa），Q 为工况下体积流量（m/h），G 为工况下流体密度与标况下水密度比（密度单位为kg/m）。正常情况下流通调节阀流量随压差增大而增大，但达到阻塞流时，流通流量按照阻塞压降计算。由于流经调节阀过程的流体状态实际不是理想状态，计算调节阀Kv需要依据流体及阀门特性对基本计算公式进行修正，选型设计工作中的Kv值依据分析工况参数与预选用阀门类型及尺寸代入GB/T17213.2-1/IEC60534-2-1或ISA75.01规范中的适用计算公式得出。3.2.2标况下气体转换为工况下流量对于可压缩的气体，工艺专业提供标况（10 1.3 2 5 k Pa G，15.6 o C）下气体流量和气体摩尔质量，需要换算成工况带入计算公式计算出39-第10 期叶雷等调节阀特性及海系统调节阀计算Kv值。气体工况流量依据理想气体状态方程来计算：PV=nRT推导出的P1V1/T1=P2V2/T2，在实际中引入工况下气体压缩因子K1来修正工况与标况下气体流量转换计算，得出工况下气体流量Q2=Q1T2P1K1/(T1P2)；由0 oC，10 1k Pa 状态下1mol理想气体体积为2 2.4 L,可得出工况下气体密度p=m/V=273.15MP2/(22.4T2K1P1)。其中P1为1个大气压（10 1.3 2 5 kPa），Q 1为标况气体流量，T1为标况绝对温度（2 8 8.7 5 K），P2 为工况下绝对压力（10 1.3 2 5+表压），Q2为工况气体流量，T2为工况下绝对温度（2 7 3.15+表温K），M 为气体摩尔质量。3.2.3流通系数计算影响因素及尺寸选择调节阀尺寸选择是依据工况参数计算出最小和最大流量系数值是否在确定选择的阀门尺寸额定流量系数的要求值内。由于油气田年配产变化，工艺专业给出操作压力及流量范围值，海上油气平台每年油藏压力及井口数量变化，操作压力与流量没有对应关系。由基本计算公式可得出：对于不可压缩流体，流量及密度随压力、温度变化影响忽略，阀门前后压差不变情况下，流量越大，计算出的流量系数越大；平台上不可压缩液体又由于组分不同导致饱和蒸汽压力不同，当介质经过阀门节流件时发生降压，介质闪蒸出大体积气体使介质完全通过时需要流通能力较大。对于可压缩流体，标况流量、压差不变，入口压力变大或温度降低，由理想气体状态方程可得，工况流量变小，工况密度变大，但因工况密度开方，计算出的流量系数变小。所以低流量与入口高压力及低温的工况可计算出最小流量系数CVminv高流量与入口低压力及高温的工况可计算出最大流量系数Cvmax。根据上述海上油气平台选择的直通截止阀，选用开度在10%9 0%范围内：当为等百分比流量特性时，其开度为1/L=logR（Cv/Cv 额）+1，即1ogR（Cv mi n/Cv 额）+110%与logR（Cv m a x/Cv 额）+1 9 0%，；而为直线性流量特性时，其开度为I/L=(Cv/Cv额-1/R)/(1-1/R)。对于同尺寸的不同厂家的调节阀的额定流量系数Cv额大小是不同的，在选择或校核调节阀尺寸时要与厂家确定该阀门的额定Cv值。4总结海上油气生产平台工艺系统设计项目内容常需要新选调节阀或校核旧调节阀调节能力，依据工艺专业提供的工艺参数表和年配产数据分析流体状态特性并使用专业软件计算出调节过程中出现的最小和最大Cv值，并根据所选的调节阀自身特性核实调节阀的动作开度是否在要求范围内。参考文献1王树青,乐嘉谦.自动化与仪表工程师手册M.北京：化学工业出版社，2 0 14：3 2 6 3 2 92陆德民.石油化工自动控制设计手册M.北京：化学工业出版社，2 0 13：3 0 6 3 123GB/T17213.2工业过程控制阀第2-1部分：流通能力安装条件下流体流量的计算公式S.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2 0 0 5.4黄步余.石油化工控制阀的设计选用R.北京：中国石化工程建设公司，2 0 14.5郑永明.控制阀基本知识&FISHER产品概况R.北京：艾默生过程控制有限公司，2 0 0 6.收稿日期：2 0 2 3-0 4-17 修回日期：2 0 2 3-0 9-0 9中国石油和化学工业联合会副会长傅向升继续指出，第二大方向是严格能效和环保约束，中国石油和化学工业联合会副会长傅向升继续指出，第二大方向是严格能效和环保约束，拟建、在建项目应全面达到能效标杆水平，主要用能设备能效水平达到能效标准先进值以上；能效低于基准水平的已建项目须在2 0 2 5 年底前完成改造升级，主要产品能效须达到行业基准水平以上，届时能效仍在基准水平以下的项目予以淘汰退出；新建项目企业环保应达到绩效分级A级指标要求，加快推进污染物不能稳定达标的企业实施改造，对超标排放情节严重的企业依法责令停业、关闭。第三大方向是坚决落实以水定产要求，推广应用密闭式循环冷却等节水技术，加快挥发性有机物综合治理、高盐废水阶梯式循环利用、资源化深度处理，以及灰、渣等固体废弃物资源化利用。第四大方向是加快高浓度二氧化碳大规模低能耗捕集利用与封存、制备高附加值化学品技术开发和工业应用。