气液两相流工况下调节阀的选型

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司 作者:胡国炜

  近几十年来,随着工业现代化的加速,在不少领域中出现了气液两相流,如热电、核电的气化单元;天然气、石油的开采、输送;低沸点液体的输送等等。两相流的调节阀计算理论不同于单向流,原因是气体和液体不能同时简单地、确切地进行数学描述,并且经验研究需要大量系数进行许多试验。

1、调节阀口径的计算

  1.1 气液混合物密度

  将两种介质的密度和速度进行平均参数计算之后,按照单相流的工况进行计算。计算出阀前两种介质混合之后的密度,在计算过程中,应该考虑气体膨胀,使用公式(1)计算。

  公式(1)

  式中:ωg———气体质量流量,kg/h;

  ωl———液体质量流量,kg/h;

  ω———混合物的总质量流量,kg/h;

  ρg———阀前气体密度,kg/m;

  ρl———阀前液体密度,kg/m;

  Y———气体膨胀系数。

  1.2 流量系数的计算

  非阻塞流两相流的流量系数可由公式(2)计算得出。

  公式(2)

  式中:Fp———管道几何系数。

  对于两相流阻塞流,计算时采用纯净气体和纯净液体极限压降组合的办法来近似。

  当压降达到公式(3)给出的数值时,纯净气体产生阻塞。

  △p=P1×Fk×Xtp 公式(3)

  相应的,纯净液体的压降由公式(4)得出。

  公式(4)

  式中:Flp———与组件和管路几何系数相关的阀门压力恢复系数;

  Ff———液体临界压力系数;

  Fk———比热系数;

  Xlp———压降比系数;

  P1———阀前压力,Pa;

  P2———阀后压力,Pa。

  当所有的流体为液相时,且压降达到公式(4)所给定的值时,开始阻塞,当有少量气体要加入流体时,阻塞流的压降开始变化,但是非常接近公式(4)的数值。继续增加气体的质量百分数将进一步改变引起阻塞流的极限压差。当所有的流体为气相时,根据公式(2)给定的压降产生阻塞。对决定理想的喷嘴的极限压降,已完成了理论计算,用这个结论得出线性关系,即液相极限压降和用气体质量百分数函数描述的气相极限压降的关系。对于阻塞的两相流的压降可由公式(5)求出:

  公式(5)

  当实际压降超过公式(5)时,两相流被认为是阻塞流,将公式(5)的压降代入公式(2)可计算出CV,并最终确定阀门口径。

2、调节阀的精度

  由于气液两相流的自然特性,用单一的公式不可能适当地描述流体的各种可能变化形式,上述计算方法的条件为:假定气体和液体的速度是相同,且它们是完全相互混合的,这是个相当普遍的流体形式,所以这种计算方法也能用于许多两相流。但如果流体偏离上述形式,则计算精度会降低。

  此外,质量比对口径计算精度的影响,在蒸汽质量比较小时特别明显。例如,当饱和的蒸汽和水的混合物,质量比从1%变化到2%时,引起73%的比热容变化,这意味着所需的流量系数增加30%。另一方面,如果流量质量比从98%变化至99%,混合物的比热容变化1%,如果不确切知道单组分两相流的质量比,可以将整个质量流量假定为蒸汽流量来计算,这在所有情况下对保证阀的流量系数都是合适的。

3、调节阀的材质

  由于气液两相流的特殊性,极大的可能会出现气泡联合状,这样对阀的损坏是非常大的,最好的办法就是选择采用合适的几何形状和阀门材料来避免或尽量减小破坏,如阀座表面,选择尽可能硬的材料。通常来说,材料越硬,阀所能抵抗这种破坏的时间越久。

4、结束语

  气液两相流工况下调节阀的选型计算是技术性很强的工作,要想使调节阀选型的结果符合现场的实际需要,必须做许多深入细致的工作。特别强调的一点是:调节阀的设计选型不仅是自动化仪表专业的事,设计选型是否合理与工艺专业关系极大。因此设计选型时,要主动积极地取得工艺专业的配合,这样才能有更好的设计。

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