如何阅读调压阀流量曲线.docx

如何阅读调压阀流量曲线
选择调压阀最好的方法是查看调压阀的流量曲线,制造商通常会提供这种流量曲线.

图1  制造商通常为同一个调压阀提供不同进口压力下的多条流量曲线，以说明调压阀的工作能力范围
选择调压阀最好的方法是查看调压阀的流量曲线，制造商通常会提供这种流量曲线。“流量曲线”是一个具有误导性的名称，调压阀控制的是压力而不是流量，因此，可以更直接把流量曲线叫做“压力曲线”。这条曲线描述了在给定流量下调压阀能够保持的系统压力范围。
调压阀的选择不仅需要选择合适的规格，而且需要了解调节阀的设计。因为，调压阀所具有的能力取决于调压阀的设计。流量曲线可以直观表征调压阀的能力范围，理解流量曲线，就能够很快地阅读流量曲线。
比较常见的调压阀选择方法是查看调压阀的流量系数（Cv）。有些人可能认为，当系统流量处于Cv的范围内时，调压阀的“规格”就正确。但实际情况不一定是这样，Cv代表的是调压阀能够提供的最大流量。在最大流量下，调压阀不能控制压力。如果预计流量会达到调压阀的Cv，那么这种调压阀很可能达不到系统的要求。
基本知识
调压阀的主要用途是在调压阀的一侧保持恒定压力，即使调压阀的另一侧出现压力变化或波动。减压型调压阀控制的是下游压力，背压型调压阀控制的是上游压力。
以减压型调压阀为例，流量曲线说明了调压阀在出口压力（Y 轴）和流量（X 轴）方面的性能。调压阀不控制流量，流量是在下游由阀门或流量计来控制，从这条曲线上可以看出当系统内的流量变化时调压阀如何响应。
图1上部的曲线初始设定的表压为2.75Mpa。该曲线显示了在不调整调压阀的情况下压力的变化。
当流量变化时，调压阀通过调整来保持初始设定压力。但是，这种调整并不能达到最佳的工作状态，因为随着系统流量的升高，调压阀的下游压力下降，下游压力下降多少无法确定。
在阅读流量曲线时，首先要确定系统内可预见的流量范围，并在图上标出流量范围。然后，查看出口压力的相应变化。判断这个压力范围是否可以接受，如果不能接受，则应寻找另一种调压阀。

图2  这条典型的减压型调压阀流量曲线说明了理想工作区、衰减、节流、阀座负载下降或锁定、流量系数 （Cv） 等多个现象
理想情况下，应在曲线最平坦的部分使用调压阀。在这一范围内，即使流量发生显著变化，调压阀也将保持比较恒定的压力。曲线的远端快速下降，在这一范围内，即使微小的流量变化也会导致压力的剧烈变化。用户不会希望在这种位置使用调压阀。
任何给定调压阀都能产生无限条曲线，因此需要确保查看的是正确的曲线。对于每个设定压力，都会用一条不同的曲线表示。图1中主要有两组曲线：一组的设定压力为400 psig（27.54bar），另一组的设定压力为200 psig（13.7bar）。制造商提供多组曲线来表达特定调压阀的可能设定压力范围是有益的。如果您的设定压力位于两组曲线之间，可以采用内插值法。但这两组曲线趋于相同形状，但位于图上的不同位置。
还有一个影响曲线形状的因素——进口压力（即在上游进入减压调压阀内的压力）。图1中的两组曲线各使用三条曲线表达进口压力范围。
总之，为系统找到正确曲线的方法：（1）找到正确的设定压力；（2）找到正确的进口压力；（3）找到正确的流量范围。
最后，确保使用的是正确的单位。压力读数最常使用的单位是psig 或 bar。流量单位随系统介质而异，因此，必须确认调压阀用于液体还是气体。液体流量通常用加仑每分钟（gal/min）或升每分钟 （L/min）表示，而气体流量则用标准立方英尺每分钟（std ft3/min）或标准升每分钟（std L/min）表示。
这些曲线通常是使用空气或氮气（用于气体用调压阀）或者水（用于液体用调压阀）测定的。如果用户的系统介质是气体，那么，用户可能需要对制造商的曲线进行调整。气体的压缩比各不相同，因此可能需要在流量曲线的体积单位上乘以一个气体修正系数。例如，氢气的修正系数是 3.8；这就是说，3.8气分子的体积与一个空气分子的体积相同。因此，流量曲线上空气体积流量为100 std ft3/min （2831 std L/min） 的点对应的可比氢气流量为 380 std ft3/min （10760stdL/min）。曲线保持不变，但是流量刻度改变。（修正系数如何获得？）
在标准压力为1Mpa，温度在20℃时，压缩比Z=1.0，均为理想气体状态，无需修正系数。（个人批注）
对于液体，由于液体是不可压缩的，因此水与另一种介质之间的差异不显著。
衰减、节流和其它复杂因素
调压阀最好在流量曲线最平坦的范围内工作，或者说最接近水平线的部分。实际上，理想的流量曲线应该是一条水平线。但是，由于调压阀的内部元件的限制，任何调压阀都不能在整个压力范围内提供理想的水平线。对于弹簧加载调压阀，较长的弹簧产生水平段较宽的流量曲线。气室加载调压阀使用一定体积的截留气体而不是弹簧，能够产生更宽的水平段。电控气动加载调压阀和使用外部反馈的气室加载调压阀产生的水平段最宽。

图3   滞后现象说明，在同样流量下，与流量增大时相比，流量减少时的出口压力较高。所示滞后大于实际值，以便于演示
一般，流量曲线由三部分组成：（1）中间相对平坦的部分；（2）最左侧的陡峭下降部分；（3）最右侧的陡峭下降部分。中间的平坦部分不完全水平，通常这段曲线是向下倾斜的，称为衰减。随着流量增加，压力将出现一定程度的下降，下降多少取决于调压阀的设计。在曲线的平坦部分衰减相对较小，而在曲线的末端，压力衰减非常剧烈。
节流出现在曲线的最右侧。图2所示为节流区，在这里，从 140 std ft3/min（3964 std L/min）开始，压力出现剧烈下降。最后，在接近 150 std ft3/min4247std L/min） 的地方，压力下降到零。这时，流量需求已经超过调压阀的压力控制能力。在这里，调压阀大开，不再调整压力。调压阀基本上已经从一种压力控制装置转变成一个开放通孔。把下游流量增加到或超过该点会导致调压阀失效。节流区的压力下降剧烈，因此不建议在这里使用调压阀。
Cv是在调压阀的完全节流点测定的，不能很好地反映调压阀的总体性能。阀座负载下降出现在调压阀曲线（图 2）的最左侧，从这里开始出现陡峭的压力下降。从左到右看该曲线时，想象系统处于无流量状态。调压阀设定为某个压力，但是没有流量。然后，想象操作员慢慢打开下游阀门来启动流量。
此时调压阀无法保持压力恒定，因此将立刻出现剧烈的压力下降。如果调压阀在这段陡峭曲线范围内工作，调压阀在有流量和无流量之间来回转换时，您可能会听到振动或脉动的声音。
现在，我们从右往左看这条曲线。想象系统在曲线的平坦范围内工作。然后，想象操作员慢慢关闭下游的阀门，流量下降到接近零。我们将沿曲线向上。在接近无流量状态时，调压阀将难以保持设定压力。在这里，我们可能也会听到振动的声音。最后，调压阀猛然关闭，截断流动。这个状态叫做锁定。
阀座负载下降和锁定这两个术语基本上可互换。有时，人们使用锁定描述这两种状态。不建议让调压阀在这个区域范围内工作。

图4  背压型调压阀的流量曲线显示出累积现象，这是一种与衰减相反的现象
从左到右看和从右到左看流量曲线是有所不同的。从左到右看曲线时，流量逐渐增加。从右到左看时则正相反。对于流量增加和流量减少这两种条件，曲线可能会略有不同。出口压力不会在同一条“衰减线”上，也不会正好停在初始设定压力上。这个现象（如图3所示）叫做滞后。
上面的线是流量减少的情况，而下面的线是流量增加的情况。
滞后会在调压阀内产生动态摩擦力，通常不会影响调压阀性能的评估。但是，在系统运行中可能会令人迷惑。试想操作员把系统设置为在110 ft3/min（3115 L/min） 的流量下提供50 psig （0.34 MPa） 的出口压力。第二天，他注意到压力变成了50.5 psig（0.348 MPa），但流量仍然是110 ft3/min （3115 L/min）。这个现象的原因就是滞后。可能是系统内的某些组件临时产生了较大下游流量需求。临时流量增加导致出口压力略微下降，即在曲线上从左向右移动。然后，当流量需求恢复到110 ft3/min（3115L/min）时，滞后导致出口压力回到一个略高于初始设定点的位置。
这种情况说明，操作员需要定期检查系统来确保调压阀设定在恰当的出口压力上。建议从较低压力开始调整到设定压力。另一种最佳做法是使用系统内的压力表帮助微调调压阀设置来获得需要的工作压力。
背压型调压阀和累积
背压型调压阀的流量曲线存在一种称为累积的现象（见图4），是一种与衰减相反的现象。由于背压型调压阀控制进口压力，因此随着流量增大压力将上升，而不是像减压型调压阀那样下降。出现这种现象的原因是背压型调压阀起到限流作用，基本上是限制进口的流量。
结论
在选择调压阀时，应查看流量曲线而不是Cv。确保查看的是正确的曲线。该曲线反映的是将要使用的调压阀设定压力（您的“设定压力”）吗？该曲线是否反映正确的进口压力范围？实际使用的单位正确吗？如果系统介质是气体，需要进行计算调整吗？
解决了这些问题之后，就可以开始阅读曲线。在曲线上找出预计的系统流量范围。给定范围后，在曲线上将能够知道调压阀将保持在多高的压力。理想情况下，应在曲线相对平坦的部分使用调压阀。在这个区域调压阀的性能最稳定，应避免在曲线的远端使用调压阀，在这些区域存在锁定和节流等不利条件。
什么是气体的压缩系数？

 什么是气体的压缩系数？
答：气体压缩系数Compressibilitycoefficient，也称压缩因子Compressibilityfactor。是实际气体性质与理想气体性质偏差的修正值。通常用Z表示，Z=Pv/RT＝Pvm/RuT；Z也可以认为是实际气体比容v(vactual)对理想气体比容videal的比值；Z＝vactual/videal；videal＝RT/P。其中，P是气体的绝对压力；vm是摩尔体积；Ru是通用气体常数；R=Ru/M；R是气体的摩尔气体常数；T是热力学温度。Z偏离1越远，气体性质偏离理想气体性质越远。Z在实际气体状态方程中出现。凡在气体流量的计算中必然要考虑压缩系数。在压力不太高、温度较高、密度较小的参数范围内，按理想气体计算能满足一般工程计算精度的需要，使用理想气体状态方程就可以了，此时压缩系数等于1。但是在较高压力、较低温度或者要求高准确度计算，需要使用实际气体状态方程，在计量气体流量时由于要求计算准确度较高，通常需要考虑压缩系数。随着对气体状态方程准确度要求提高，在百余年来实际气体状态方程出现了许多不同形式，对压缩系数也有不同的表述。比较有名的是范德瓦尔状态方程和维里状态方程。
求得压缩系数的方法：
1)查表法，对比态参数在图表上查得。已有的图表是通过试验对不同气体测得P、v、T（分别是压力、比容、温度）数据和相应的临界参数Pc、vc、Tc、计算得到对比参数Pr、vr、Tr绘制的Z--Pr、vr图。Zc是固定的，如图1，ZC固定为0.27。
图 1 通用气体压缩系数,纵坐标Z，横坐标是Pr
式中，Pc是临界压力，Tc是临界温度，随物质不同而不同；对比压力Pr、对比温度Tr根据测量的压力、温度和临界压力、温度计算；Pr=P/Pc；Tr=T/Tc；zc为临界点处实际气体的压缩因子，称为临界压缩因子。实验表明，临界压缩因子zc数值相近的各种气体，可以认为具有相似的热力学性质，即在相同的对比压力pr及对比温度Tr下，它们的对比比体积vr的数值基本相同，都可以表示为vr＝f(pr,Tr)。于是压缩因子还可以表示为
    对于临界压缩因子zc有相同数值的气体，当它们的对比参数pr及Tr相同，即处于对应状态时，它们压缩因子z具有相同的数值。于是，如果把压缩因子z随状态变化的实验关系整理成z与对比参数pr及Tr的关系，并表示成如图1所示的图线，就可以用于所有具有相同临界压缩因子zc的气体，直接按其状态所对应的pr、Tr的值，由图上查取该状态下压缩因子z的数值。因而这种表示z与pr、Tr关系的线图称为通用压缩因子图。
各种气体临界压缩因子的数值大致在0.23～0.31的范围内，而60%的烃类气体的zc在0.27左右，故最常见的通用压缩因子图为zc＝0.27的线图。该图也常用于zc不等于0.27的气体的近似计算，当用于zc＝0.26～0.28的各种气体时，除临界点附近的状态外，所得z的数值的误差小于5%。此外，对于一些没有详细物性数据的气体，采用通用压缩因子图估算其状态变化关系有很大的实用价值。如果在气体的状态变化范围内，压缩因子z的数值在0.95～1.05的范围内，则可当作理想气体处理。
    在临界压缩因子zc数值相同的条件下，如果已知Tr及Pr，就可应用通用热力性质图查出相应的偏差来。在应用通用热力性质图时，应注意该图的临界压缩因子zc的数值。显然，使用非同组的压缩因子图，会带来较大的误差。
2) 计算法
根据维里状态方程
其中，ω是对比密度，ω＝ρ/ρc;τ是对比温度，τ＝T/Tc ；bi,j是维里系数，
对于空气，bi,j使用下表，bi,j是维里系数
      对于天然气，按照 AGA8/1992 and ISO-12213-2/1997 ,天然气的z系数计算

其中，ρm是天然气的莫尔密度，ρr是对比密度，B是第二维里系数，Cn*是温度从属系数（emperaturedependent coefficients），bn, cn和kn是ISO-12213-2/1997.给的状态方程的参数，ρm是莫尔密度，ρr是对比密度；有关参数的计算比较复杂，请参阅ISO-12213-2/1997.
3)试验法，按照实际使用的气体，根据需要的误差，选择合适的状态方程，进行试验，得到自己需要的压缩系数，是最准确的方法。
如果要求不太高，用查表法；如果要求高，用计算法或者查专门文献及标准资料。