第５３卷第４期 石油化工自动化 Ｖｏ１．５３，Ｎｏ．４ Ａｕｇｕｓｔ，２０１７ ２０１７年８月 ＡＵＴＯＭＡＴＩｏＮ ＩＮ ＰＥＴＲＯ—ＣＨＥＭＩＣＡＩ ＩＮＤＵＳＴＲＹ 闪蒸工况两相流调节阀流量系数计算 冯璐，张璐璐 （华陆工程科技有限责任公司，陕西西安７１００６５） 摘要：工业生产过程中，在闪蒸工况下按常规算法选取的调节阀难以满足精确的流量控制需要。根据安全阀卸放面积和压缩 因子算法并结合现场开车实际工况，提出闪蒸因子的概念与有效密度法结合的方法，并推导出满足闪蒸工况下气液两相流调节 阀流量系数的计算方法。结果表明：采用该计算方法更加贴近实际工艺，完善了两相流阀门计算的空缺，并为以后相似的计算 提供借鉴与参考。 关键词：两相流闪蒸流量系数调节阀 中图分类号：ＴＨ８１４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００７—７３２４（２０１７）０４—００１９—０３ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌｏｗ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ ｉｎ Ｆｌａｓｈｉｎｇ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｆｅｎｇ Ｌｕ，Ｚｈａｎｇ Ｌｕｌｕ （Ｈｕａｌｕ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ，７１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔｓ：Ｉｔ ｉＳ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｍｅｅｔ ａｃｃｕｒａｔｅ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｆｌａｓｈｉｎｇ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｓａｆｅｔｙ ｖａｌｖｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｒｅａ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｔｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｃｔｕａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｏｎｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｌａｓｈｉｎｇ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ｉｄｅａ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｅｌｉｃｉｔｅｄ ｗｉｔｈ ｍｅｅｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｏｒ ｇａｓ—ｌｉｑｕｉｄ ｔＷＯ ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｕｎｄｅｒ ｆｌａｓｈｉｎｇ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ ｔｈａｔ ｏｆ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｖａｃａｎｃｙ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ｉｓ ｐｅｒｆｅｃｔｅｄ．Ｉｔ ｏｆｆｅｒｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｔｅｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ；ｆｌａｓｈｉｎｇ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ 随着中国工业自动化水平的不断提高，调节阀 因素。文中针对以往计算的欠缺，提出了相关的方 法供探讨，并浅析该算法的合理性和优越性。 １ 调节阀气液两相流的形成 调节阀本质上是局部阻力可变的节流元件 ， 即当阀门口径一定时，通过改变阀芯行程可影响流 作为自动控制系统的终端执行部件，其口径的合理 选定有着重要意义 。目前，影响调节阀口径选定 的因素很多，其中最主要的是调节阀流量系数Ｃ 的确定。但是，在选定Ｃ 的过程中，经常会碰到工 艺介质经过阀门转变为气液两相的情况，此时，就 通面积进而达到调节流量的目的。然而，若使阀门 不能简单地套用单相介质流量系数Ｃ 的计算方 法，而需要在公式中作进一步的优化，使得计算结 果更符合工艺的实际情况 。 在闪蒸工况下两相流调节阀Ｃ 的计算中，采 入口压力保持恒定，逐步降低出口压力值，当压降 增大到某个定值时，流量将达到极限状态。此时如 再降低调节阀出Ｅｌ压力值，调节阀的流量将不再发 生改变，该状态称为阻塞流现象。与此同时，对于 用传统方法计算具有一定的局限性。传统方法并 未充分考虑气液两相的影响因子，且在两相流计算 时也未考虑所发生的相变对于整个工艺和阀门实 际运行的影响。例如：在炼油工艺操作中时常会 不可压缩流体，若阀门缩颈处的压力值小于饱和蒸 汽压就会发生闪蒸。 稿件收到日期：２０１７—０４—１４，修改稿收到日期：２０１７—０６—０６。 遇到气液两相流工况，如用常规算法，一方面不能 保证调节阀的选择精度，另一方面还可能影响压降 和背压系统的操作，甚至在某些工况下会产生危险 作者简介：冯璐（１９８４一），男，２００９年毕业于河北工业大学控制理 论与控制工程专业，获硕士学位，现就职于华陆工程科技有限责任 公司，主要从事石油化工行业的仪表白控设计工作，任工程师。 ２Ｏ 石油化工自动化 第５３卷 由以上分析可知，对于长期处于闪蒸工况下的 调节阀，其截留部分常会因闪蒸引起材料的剥离、 刮痕，最终导致调节阀失效、阀杆断裂、泄漏等严重 后果，冲刷最严重的地方一般是在流速的最大值 处 Ｊ。因此，对于闪蒸工况下应用的调节阀，选型 时除了需要考虑采用硬度较高的材质或涂刷特殊 涂层等措施外，还需从源头上优化闪蒸工况形成的 两相流的阀门口径计算方法。目前对于气液两相 工况下的调节阀Ｃ 计算尚不成熟，笔者结合闪蒸 因子法及ＩＳＡ推荐的有效比容法，综合研究探索 出一种气液两相调节阀Ｃ 的计算方法。 ２两相流调节阀压缩因子算法 本文利用两相流安全阀Ｃ 计算方法，在推导 中引入闪蒸因子，使其与两相流调节阀Ｃ 的计算 结合，形成满足闪蒸条件下两相流调节阀Ｃ 新型 计算方法。根据ＩＳ（）４１２６—２Ｏ１３《超压安全保护 装置》中对两相流安全阀Ｃ 计算方法提出压缩因 子 算法，其中 表征了可压缩介质比容相对于 压力的变化关系 。 ，： 式中： ——两相流体的比容； ——气相比 容； ——液相比容； ——两相流的质量含气 率； 一一当前状态的压力。 由于无法直接求出两相流的质量含气率对压 力的变化影响，故通过热力学能量守恒定律和克拉 劳斯克拉贝隆方程进行代换运算。再利用理想状 态方程当前状态与初始状态比容关系，经过积分变 换，由积分下限选择人口条件，积分上限选择当前 条件。由于闪蒸开始时介质为单液相， 计算方 程为 ］ Ｕ Ｕ０ ６０一 一 ——・一． 二 ：（ （３． ）） Ｐｏ—Ｐ ＇Ｕ０ Ａｂ Ｐ 式中： 。——初始状态的比容；Ｐ。——初始状态的 压力； 初始状态的气相比容； 。。——初始 状态的液相比容； ——当前状态的比容；△６ —— 汽化潜能。 ３压缩因子６０算法推导膨胀系数 两相流中含有气相可压缩介质，需引入膨胀系 数修正，在ＩＳ（）４１２６—２Ｏ１３中第１０部分关于６０算 法中可压缩流体膨胀系数Ｉ】ｆＩ公式如下 ： ｍ ＝＝＝ ｇ （４） ｄ—ｄ —． 一 ， 十 卜 一— 声 一 ＝＝＝ ｈ 【 ｄ—ｄ ｊ＋ 一 （ 一 ）＋ ｃ５ —一１一 ／Ｌ ／ 一 ）＋ ］ ㈦ Ｎ—Ｘｏ ｑ－％ｌＴｏｐ ｏ［ ） ０ ｆｐｌＴｐｏ （ 印一 ｌ（）） （Ｎ）一— ， 、 一Ｎ ・— —— ， （， Ｎ、 ）］一 —三 ———二 √ Ｎ （・ｎ ）一 ｃＮ ）＋一 （１ ｌ 一 ） Ｃ 一１．１６Ｋ 一１．１６× （１。） 第４期 冯璐等．闪蒸工况两相流调节阀流量系数计算 ２１ 体气化，形成平衡状态的两相流，笔者以此为突破 口和创新点，着重考察在调节阀Ｃ 公式中引入两 相流的有效密度对实际结果的影响和数据的修正， 即有效密度Ｐ 计算公式： Ｐ 一—：：＝！ — （１２） 。ｑｍｇ ｑ ｌＤ 。 ＩＤ 式中：ｑｍｇ——气体质量流量；ｑｍＬ——液体质量流 量；ｌ０ ——气体密度；ｌ０ ——液体密度； 一一膨 胀系数，由于发生阻塞流，所以此处 一０．６６７。 ５闪蒸工况调节阀ｃ 计算 在炼油工艺中时常会遇到气＿｝夜两相流工况， 如用常规算法，一方面不能保证调节阀的选择精 度，另一方面还可能影响压降和背压系统的操作， 甚至在某些工况下会产生危险因素。本文根据以 上推导公式，结合实际工艺流程和仪表选型计算， 对调节阀的Ｃ 做出全面翔实的计算实例。 再沸器出口管道介质为含蒸汽的水，阀前为液 相，经阀门缩流截面后变为气液两相，即在调节阀 处发生了闪蒸现象。已知条件：阀前压力Ｐ。一 ２．１９ ＭＰａ，Ａｐ一１．５９ ＭＰａ，温度Ｔ＝Ｔ ：４３２ Ｋ， 密度』Ｄｇ一３．１８ ｋｇ／ｍ。，ｌ０Ｌ一９０８ ｋｇ／ｍ。，ｆｐｌ一 ０．００１ ２，气化潜能Ａｂ 一１ ９２３ ｋＪ／ｋｇ，饱和蒸汽压 Ｐ 一２．２ ＭＰａ，压力恢复系数Ｆ 一０．８７，临界压力 Ｐ 一２２．１２ ＭＰａ，发生阻塞流时压力Ｐ 一１．９１ ＭＰａ， 质量流量ｑ 一１．８１７ ｔ／ｈ，ｑ Ｌ一１２．８０２ ８ ｔ／ｈ，ＦＦ＝＝＝ ０．８７，二一 ’ｌａ Ｐ 一÷一１｝Ｆ ．１５，实际的压力降 １一 Ｆ （ 。～ＦＦＰ ）一０．２１ ｉＰａ。 则闪蒸因子： Ｎ—Ｘｏ＋ｃｐｌＴｏＰ ｏ ｌ Ｊｌｎ（ ）ｊ ７．７×ｌＯ一 压缩因子： ０ ， ｆｐｌ了 ｏ （ ｇｏ— １ｏ）。 （ｕ（Ｎ）一—— 一一Ｎ二 … ・—三—＿÷一 ０一Ｐ ｏ Ａｂ： Ｎ 一 三 二｛塑一：）＋１ Ｉ０．３３５ 计算有效密度： ｌＤ 一 Ｄ 一：：：ｌ１．ｌ１． ４ ｋ４ ｋｇ／Ｉ／１３．３ 。 ｑｍｇ ｑｍＬ Ｐｇ∥ ｌＤＬ 将以上各式计算值代人式（１０）得：Ｃ 一 １Ｏ．２４。 该阀门制造商所提供的Ｃ 值为１１．９，其是按 照常规方法分别计算气相和液相的Ｃ 值并简单 相加而得。对比以上二者结果可以看出，在闪蒸工 况两相流下计算调节阀ｃ 时，仅考虑气液两相 Ｃ 值并简单ＳＨＪＪ￣１是不严谨的核算方法。采用传统 方法所计算出的ｃ 不能满足精确控制的要求。 因此，由于采用了闪蒸因子和有效密度结合计算 法，使得本文计算方法考虑更为全面，更加贴近实 际工艺，一定程度上降低了危险隐患，提供了更加 优良的操作环境。 ６结论 闪蒸工况下两相流工况是调节阀计算中最为 复杂严苛的状态，如何全面考虑该调节阀的控制水 平并使之与整个工艺系统相匹配显得尤为重要。 该调节阀计算方法参照已有公式并结合特有物性， 全面考虑闪蒸中所发生的工艺状态对整个阀门系 统的影响，从细节处杜绝了阀门选型的危险隐患， 保证了调节阀的选择精度，降低了对压降和背压系 统的操作影响。鉴于两相流调节阀计算理论不同 于单相流［６］，在两相流领域的研究目前还未成熟， 根据对以上大量的经验公式和模型假设的计算和 分析，本文结合闪蒸因子法和有效密度法推导并实 例验证了闪蒸工况下两相流调节阀的Ｃ 完整的 计算方法，从而对以后相似的阀门设计提供借鉴和 参考。 参考文献： ［１］陆德民，张振基，黄步余．石油化工自动控制设计手册［ ］．３版． 北京：化学工业出版社，２０００：９０５． 唐紫英，赵衍武．两相混合流体流量系数Ｋｖ计算的新方法 ＥＪ］．抚顺学院学报，１９９８（０２）：５０—５３． 何谦，陈明洪，马志勇．阻塞流及其对调节阀流量系数计算 的影响［Ｊ］．大氮肥，２００４，２７（０３）：１９０—１９３． ４ ： 刘芳．控制阀闪蒸和空化现象及阻塞流的计算口］．石油化工 自动化，２０１０，４６（Ｏ２）：６４—６８． 张剑可．气液两相流调节阀流量系数计算方法研究ＥＤ］．北 … 京：中国石油大学，２０１２． 胡国炜．气液两相流工况下调节阀的选型ＥＪ］．山东化工， ２Ｏｌ３，４２：１２０—１２４．