控制阀的口径计算
一、 引言
控制阀（调节阀）在工业生产过程自控系统中的作用犹如“手足”，其重要性是不言而喻的。如何使用户获得满意的产品，除了制造上的精工细作外，还取决于正确的口径计算，产品选型，材料选用等，而其前提是要准确掌握介质、流量、压力、温度、比重等工艺参数和技术要求。这是供需双方务必充分注意的。
本手册编制参考了国内外有关专业文献，也结合了我厂长期来产品选型计算中的实际经验。
二、术语定义
1、 调节阀的流量系数
流量系数Kv 值的定义：当调节阀全开，阀两端压差为1×102Kpa （1.03巴）时，流体比重为1g/cm3的5℃～40℃水，每小时流过调节阀的立方米数或吨数。
Kv 是无量纲，仅采用m 3/h或T/h的数值。
Cv 值则是当阀全开，阀前后压差1PSi ，室温水每分钟流过阀门的美加仑数。Cv=1.167 Kv。
确定调节阀口径的依据是流量系数Kv 值或Cv 值。所以正确计算Kv （Cv ）值就关系到能否保证调节品质和工程的经济性。若口径选得过大，不仅不经济，而且调节阀经常工作在小开度，会影响控制质量，易引起振荡和噪音，密封面易冲蚀，缩短阀的使用寿命。若口径选得过小，会使调节阀工作开度过大，超负荷运行，甚至不能满足最大流量要求，调节特性差，容易出现事故。所以口径的选择必须合理，其要求是保证最大流量Qmax 时阀的最大开度Kmax ≤90%，实际工作开度在40—80%为宜，最小流量Qmin 时的开度Kmin ≥10%。如兼顾生产发展，Kmax 可选在70—80%，但必须满足Kmin ≮10%。对高压阀、双座阀、蝶阀等小开度冲刷厉害或稳定性差的阀则应大于20%~30%。
2、 压差
压差是介质流动的必要条件，调节阀的压差为介质流经阀时的前后压力之差，即ΔP=P1-P2。在亚临界流状态下，压差的大小直接影响流量的大小。
调节阀全开压差是有控制的，其与整个系统压降之比（称S ）是评定调节阀调节性能好坏的依据，如果流量波动较大时，S 值应大些；波动小，也应小些。S 值小可节能，但太小，工作流量特性畸变厉害，降低调节品质；S 值大，虽能提高调节品质，但能耗太大，所以S 最好在0.15~0.3。
3、 流量
根据生产能力，设备负荷和介质状况由工艺设计、确定最大流量Qmax 、正常流量
（工艺流程最大流量）Qnor 和最小流量Qmin 。为确保安全，避免调节阀在全开位置上运行。应使Qmax=1.25~1.6Qnor。
4、 闪蒸、临界压差
液体流经调节阀时，由于节流处流速增大，压力降低，当压力降至饱和蒸汽压时，部分液体就会气化并以汽泡的形式存在，若在下游压力等于或低于入口温度的饱和蒸汽压时，汽泡未破裂，而夹在液体中成二相流流出调节阀，此过程称为“闪蒸”。闪蒸一般不会破坏节流元件，但会产生阻塞流，使调节阀流量减小，此时流量Q 基本上不随压差△P 的增加而增加。阻塞流动会产生噪音和振动。产生阻塞流的
压差称为临界压差△PC 。
5、空化、压力恢复系数
液体流经调节阀时，缩流断面流速加快，压力下降，当压力降到低于入口温度饱和蒸汽压（Pv ），造成部分液体转变成蒸汽，出现汽泡，随后由于流速下降压力恢复使汽泡破裂。从汽泡形成到破裂的全过程称为空化，汽泡破裂，会释放巨大空化能，对节流元件产生破坏，并伴有噪声和振动，即谓气蚀，这是高压差场合调节阀
选型必须考虑的。
△Pc=FL 2 [P1-（0.96-0.28√Pv/Pc .Pv ）]
式中：F L —压力恢复系数，又称临界流量系数Cf （Critical flow factor），表征不同结构阀造成的压力恢复，以修正流量系数计算误差，并参与判别流动状态。
F L =√△Pc/△Pv c=√△Pc/（P 1-Pv ），各种阀的F L 見表一。
Pv—液体入口温度下的饱和蒸汽压（ata ，100kPa ）（见“物理化学手册”
-上海科技出版社1985.12）。
Pc—热力学临界压力，kgf/cm2（ata ），（见附表四、五 ），（水Pc=25.565）
P 1—阀上游压力（ata ），100kPa
△Pv c—产生闪蒸时缩流处压差，△Pv c=P1-Pv ，（ata ，100kPa ）
△P c—产生闪蒸时阀前后压差，也称临界压差，（ata ，100kPa ）
三、调节阀流量系数的计算
1、 液体
W—流量，磅/小时
△P—实际压降，P 1-P 2，psi （ata ）
2、 气体
△t—蒸汽过热温度℃，指相同压力过热水蒸汽比饱和水蒸汽过热的温度，即△t=过热水蒸汽温度—饱和水蒸汽温度。饱和水蒸汽的△t=0。
P 1、P 2—阀前、阀后绝对压力（ata ），100kPa
式中：Q L —液体体积流量Nm 3/h
F L --液体压力恢复系数
γ—运动粘度（CST ，厘沲） 10-6m 2/s, 与动力粘度μ（CP. 厘泊,
10-3N.S/ m2）的关系。
γ= μ
ρ（密度）
3）假若液体和蒸汽均匀混合以等速运动，如果进入控制阀的蒸汽分量过小，且△PC ＜△P （W ）， 采用液体有关气蚀的公式。
72．8G
五、渐缩管对Kv 值的影响
当控制阀装在渐缩管中间时，阀的实际流量将减小，故要修正。
1）亚临界流：
Kv =
R
式中：R—装有渐缩管对亚临界流容量修正系数（见表二 ）
（a ）阀出、入口均装有渐缩管。
2
（b 40°渐缩管和出口装渐缩管时亚临界流 R=D 2 0.047d2
2）临界流
为补偿渐缩管在临界流条件下的压力损失，在相应的临界流公式上用F L r 代替F L ，以
便在口径计算中求得最大△P= （））2. △Pc
R
r 和L r 的数值分别列于表 一 和表二。
R
六、对计算Kv （Cv ）值的放大，圆整和口径选择。
按最大流量或正常流量计算得的Kv （Cv ）max 或Kv （Cv ）nor 值要作适当放大。其放大系数m 是指圆整选定后的Kv 值与Kvmax 或Kvnor 的比值：m= Kv ＞1.15或 K ＞2.5， Kvmax Kvnor m 的取值与选择的条件、流量特性、可调比、对应的工作开度要求（10%＜＜90%）及 L
是否考虑生产发展等因素有关。m 的一般取值如下表。
m 的计算式
直线特性：m= R
（ l ）（R-1）+1
L
（1- l ） 等百分比：m=R
式中：R—可调比（见表）， l—阀的实际开度，
L—阀的最大开度 阀的相对行程
七、控制阀的开度验算和不同开度的流量计算
1、开度验算公式：
等百分比：l = 1- logm L
直线： l = R-m
m
平方根：l = 1- L
式中：计算最大开度时的m= Kv
Kvmax
计算最小开度时的m= Kv
Kvmin
式中：Kv 为所选阀口径的对应的Kv 值。
Kvmax 、Kvmin 均为计算值。
调节阀最大流量时的开度不超过90%。最小流量时的开度不小于10%。实际工作开度以30~80%为宜。
可调比R 由所选阀的类型确定，见下表：
阀类
轻小型P 、N 、M 、S 精小型P 、M ， CV300系列V 型、O 型球阀蝶阀偏心旋转阀 三通分流、合流阀 阀体分离阀 R
2、不同开度的流量计算
根据下表，当Qmax 为已知时，则很容易计算出相对开度下的流量Q 。
如阀的R=30时，Qmax=40T，则50%开度时的直线特性阀的流量Q=40×51.7%=20.68T，等百分比R=50的阀为40T ×18.3%=7.32T，当开度不在表列数时，可按下式计算。
（）
由 =R L 和 =（R+1）得
Qmax Qmax R L
（）
L
等百分比特性阀：Q= Qmax R
直线特性阀：Q= 1 [1+（R+1）l ]
R L
例：有Qmax=60Nm3/h，Qmin=2Nm3/h的等百分比阀，求开度25%时的理想流量Q 为多少？ =30 （）
Qmin 2 QmaxR L =60×30
（(25%-1）=4.68Nm3/h
当阀为直线特性时 （R+1） ] =60×（30+1）3/h
六．口径计算实例
例1．介质：25℃水，P1=1.8MPa，P2=1.0MPa，Qmax=220Nm3/h，Qmin=40 Nm3/h，要求泄漏等级5×10-3×阀额定容量。
计算：
1）根据泄漏等级选JM ，查得F L =0.92，25℃水，Pv=0.032×102kPa ，Pc=255.65×
102kPa 。
2）Pv ＜0.5P1，0.032＜P=18-10=8×102kPa ＜△Pc=FL 2（P-Pv ）
2
=0.92(18-0.032=16.5×102kPa 。 判为一般流动。
3）Kvmax=Qmax 77.8，Kvmin=Qmin 40 14.1 △P 8 △P 8
4JM 阀R=50，选等百分比特性，0.9时，m=1.48则Kv=77.8×1.48=115.1，选DN=100，Kv=160
5）开度验算 ，(＜90%，合格）
logR log50 =37.9%，(＞10%，合格）
LogR log50 ＞3.5，能满足 。
L
Qmin 14.1
例2．介质空气，P1=6.9MPa，P2=0.55MPa，Qmax=2830Nm3/h，t=20℃，T=273+20℃=293℃，G=1，要求泄漏等级1×10-4×阀额定容量。
解：1）选JP ，F L =0.9
2）△P=6.9-0.55=6.35
3 0.92 0.5FL 2 =0.5×0.92=0.41＞0.5 FL 2，判为临界流。
P1 6.9 P1
4）∵6.9＞0.7，应引入压缩系数修正，
Pr= =1.8， Pc 38.4 Tc 132.42
查表三，Z=0.965，Y=1.63 △P = 1.63 63.5 =1.74
F L P1 0.9 69
5
6例3t=21解：123 4 5 6 例4．），P2=4.5×解：12 3 查图二曲线得F R =0.9，
4）修正 0.9
5 Kv=25.3×1.48=37.5，选DN50，Kv=40
例5、按上例4，如当阀出入口均有DN80渐缩管时，D/d=80/50=1.6，由表二查得修正系数R=0.95，
Kv ’26.6 Kv=26.6×1.48=39.4
R 0.95
仍可按原选DN50，Kv=40
