Перейти к содержанию
Технологии

Выбор регулирующего клапана: какие исходные данные нужны для расчёта Kv/Cv

Технологии 9 мин чтения

Коротко: одного значения расхода и одного перепада давления для надёжного расчёта Kv/Cv недостаточно. Для каждого из режимов — минимального, нормального и максимального — нужны расход, давление на входе и выходе клапана в этом режиме, температура и свойства среды при этих условиях (для жидкости: плотность, вязкость, давление насыщенных паров и критическое давление; для газа: молекулярная масса, коэффициент сжимаемости и показатель адиабаты). Кроме того, поставщику нужны диаметр и толщина стенки трубопровода (schedule), наличие переходов, требование к герметичности затвора, допустимый уровень шума, положение при отказе, параметры питающего воздуха, сигнал и позиционер, материалы и классификация взрывоопасной зоны. Расчёт выполняется по этим данным, а выбор — по тому, укладывается ли полученный диапазон Kv в регулируемый диапазон рассматриваемого клапана.

Это относится к регулирующим (дросселирующим) клапанам на жидкости, газе или паре при известных технологических параметрах. Отсечная запорная арматура, регуляторы прямого действия и предохранительные клапаны подбираются по другим наборам данных. Кавитация, вскипание (flashing) и запирание потока здесь подробно не рассматриваются; указано лишь, какие данные нужны для их проверки.

Почему одного «нормального» режима недостаточно

Клапан срабатывает часть располагаемого перепада давления системы. В насосной линии с ростом расхода напор насоса падает, а потери в трубопроводе и оборудовании растут, поэтому перепад на клапане уменьшается. При малом расходе всё наоборот: давление насоса растёт, потери снижаются, и клапан работает почти закрытым при гораздо большем ΔP. Если принять ΔP постоянным и просто масштабировать расход, требуемая пропускная способность в максимальном режиме окажется заниженной, а в минимальном — завышенной.

Три режима отвечают на разные вопросы: максимальный показывает, хватает ли пропускной способности; нормальный — в какой зоне клапан будет работать большую часть времени; минимальный — сможет ли он устойчиво регулировать вблизи седла. Если есть дополнительное условие — пуск, работа на пониженной нагрузке или другой продукт, — его следует задать отдельным режимом.

Опросный лист на регулирующий клапан: данные по режимам

В форме ниже перечислены параметры, которые в запросе предложения заполняются отдельно для каждого режима, и пояснено, зачем нужен каждый из них. Стандартная структура опросного листа регулирующего клапана определена в IEC 60534-7; эта форма не копирует стандарт, а представляет собой практический перечень исходных данных для расчёта.

Таблица 1 – Данные, требуемые для каждого режима

Параметр

Мин.

Норм.

Макс.

Зачем нужен / последствия отсутствия

Расход (с единицами: м³/ч, кг/ч или нм³/ч, с указанием нормальных условий)

Нужен

Нужен

Нужен

Основной входной параметр Kv/Cv. При неясных единицах или базовых условиях расчёт по газу может быть полностью ошибочным.

Давление на входе P1 (абсолютное или избыточное — указать)

Нужно

Нужно

Нужно

Для ΔP и, для газа, расчёта расширения. При допущении постоянного значения пропускная способность определяется неверно.

Давление на выходе P2

Нужно

Нужно

Нужно

Задаёт ΔP; для жидкости положение P2 относительно давления насыщенных паров нужно для проверки запирания и вскипания.

Температура на входе

Нужна

Нужна

Нужна

Плотность, вязкость и давление насыщенных паров зависят от температуры; влияет и на выбор материалов и сальника.

Жидкость: плотность или относительная плотность

Нужна

Нужна

Нужна

Входит в расчёт Kv напрямую; при её отсутствии поставщик может принять воду.

Жидкость: вязкость

Нужна

Нужна

Нужна

Для вязких сред может потребоваться поправка на нетурбулентное течение; важно значение при минимальной температуре.

Жидкость: давление насыщенных паров и критическое давление

Нужны

Нужны

Нужны

Для проверки запирания потока, кавитации и вскипания; без них эти риски оценить нельзя.

Газ/пар: молекулярная масса или плотность, коэффициент сжимаемости (Z), показатель адиабаты

Нужны

Нужны

Нужны

От них зависят расширение газа и предел запирания; для пара указывают и степень перегрева.

Фазовое состояние (жидкость, газ, двухфазный поток, твёрдые включения)

Нужно

Нужно

Нужно

Двухфазный поток или твёрдые включения нельзя корректно рассчитать по стандартным уравнениям для жидкости/газа; это меняет выбор трима и корпуса.

Практическое замечание: давления должны относиться к входному и выходному фланцам клапана. Если передать давление нагнетания насоса или давление в ёмкости без вычета промежуточных потерь, ΔP окажется больше реального.

Данные, задаваемые одним значением: проектные, механические и по управлению

Таблица 2 – Данные, не зависящие от режима, и последствия их отсутствия

Параметр

Что указать

Что будет, если не указать?

Диаметр трубопровода, schedule и переходы

Диаметр и толщина стенки на входе/выходе; допустимы ли переходы, если клапан меньше трубопровода

Переходы снижают установленную пропускную способность; без диаметра поставщики предложат разные размеры корпуса для одного и того же Kv.

Расчётные давление и температура

Расчётные параметры линии, класс давления и тип присоединения

Класс давления и материалы корпуса могут быть выбраны неверно.

Требование к герметичности

Класс герметичности затвора (по названию стандарта IEC 60534-4 или ANSI/FCI 70-2) и максимальный перепад давления при закрытии

Одного класса недостаточно; без перепада при закрытии нельзя определить усилие привода и конструкцию седла.

Допустимый шум

Проектный предел и условие измерения (например, на заданном расстоянии от клапана)

Нельзя оценить потребность в малошумном триме для газа и пара.

Положение при отказе

При потере воздуха или сигнала: открыт, закрыт или остаётся в последнем положении

Нельзя определить тип привода и направление действия пружины; возможен выбор, противоречащий функции безопасности.

Питающий воздух

Минимальное и максимальное давление питания, качество воздуха

Нельзя проверить размер привода и усилие закрытия.

Сигнал и позиционер

4–20 mA, HART или fieldbus; диагностика, обратная связь по положению, концевые выключатели, соленоид

Объём комплектующих будет различаться от предложения к предложению.

Материалы

Материалы корпуса, трима и прокладок; коррозионная, эрозионная среда или среда с H2S

Даже при верной пропускной способности возможны проблемы со сроком службы и применимостью.

Взрывоопасная зона

Класс зоны, группа газа, температурный класс; при необходимости целевой SIL

Нельзя выбрать вид взрывозащиты электрических комплектующих; соответствие ATEX/IECEx и SIL — разные вопросы и запрашиваются отдельно.

Задача регулирования

Регулируемый параметр, тип контура, требуемое быстродействие; предпочтительная характеристика, если есть

Пропускная характеристика и скорость хода выбираются произвольно.

Kv и Cv: определение, пересчёт и учебный пример

Kv — расход воды в м³/ч через клапан при перепаде давления 1 bar; Cv — расход воды в американских галлонах в минуту при перепаде 1 psi. Оба выражают одну физическую величину в разных единицах. Из определений единиц (значения 1 американского галлона и 1 psi в СИ) следует Kv ≈ 0,865 Cv и Cv ≈ 1,156 Kv. Всегда проверяйте, какой коэффициент указан в предложении: при их смешении пропускная способность оценивается с ошибкой около 16%.

Пример ниже — учебный сценарий, показывающий, зачем данные запрашиваются по режимам; это не реальный проект. Допущения: жидкость, турбулентное течение без запирания, клапан равен диаметру трубопровода (влияние переходов отсутствует), поправка на вязкость не нужна, относительная плотность ρ/ρ0 = 0,85. При этих условиях применяется упрощённое выражение Kv = Q·√((ρ/ρ0)/ΔP) (Q в м³/ч, ΔP в bar). Из-за характеристики насоса давление на входе падает с ростом расхода, а давление на выходе остаётся 6,0 bar(g).

Таблица 3 – Учебный пример: требуемый Kv по режимам (ρ/ρ0 = 0,85)

Режим

Q (м³/ч)

P1 (bar изб.)

P2 (bar изб.)

ΔP (bar)

Требуемый Kv

Требуемый Cv

Kv при постоянном ΔP 2,5 bar

Мин.

12

10,0

6,0

4,0

5,53

6,4

7,00

Норм.

40

8,5

6,0

2,5

23,32

27,0

23,32

Макс.

55

7,6

6,0

1,6

40,09

46,3

32,07

Результат показывает две вещи. Во-первых, при постоянном ΔP требуемый Kv в максимальном режиме получился бы на 20% меньше, и клапан мог бы оказаться недостаточным по пропускной способности. Во-вторых, отношение расходов 55/12 ≈ 4,58, а отношение требуемых Kv 40,09/5,53 ≈ 7,25: диапазон, который должен перекрыть клапан, шире диапазона расходов.

Это упрощённое выражение не заменяет расчёт по IEC 60534-2-1 и программы подбора. Стандартная методика включает коэффициент геометрии трубопровода, коэффициент восстановления давления жидкости, предел запирания потока, поправку по числу Рейнольдса и, для газа, коэффициент расширения; сам стандарт указывает, что его уравнения для жидкости не предназначены для неньютоновских сред и пульп (шламов). Окончательный Kv/Cv рассчитывается по данным изготовителя выбранного клапана и применимому стандарту.

Выбранный клапан: открытие в нормальном режиме и регулируемость в минимальном

Возьмём условный клапан с номинальным Kv 63. Отношение требуемого Kv к номинальному составит 8,8% в минимальном, 37% в нормальном и 64% в максимальном режиме. Это не процент хода: ход, соответствующий данному отношению Kv, зависит от пропускной характеристики клапана (линейная, равнопроцентная и т. д.) и от рабочей характеристики, формирующейся из-за изменения ΔP с расходом. Значения хода рассчитываются по характеристике рассматриваемого клапана из данных изготовителя.

·         Запас в максимальном режиме: клапан должен обеспечивать требуемый Kv без выхода на полный ход; величина запаса определяется проектной спецификацией и стратегией регулирования.

·         Рабочая зона в нормальном режиме: там, где клапан работает большую часть времени, характеристика должна быть устойчивой, а коэффициент усиления — приемлемым. Опирайтесь на проектную спецификацию и рекомендации изготовителя, а не на универсальный диапазон открытия.

·         Регулируемость в минимальном режиме: требуемый Kv в минимальном режиме должен оставаться выше минимального используемого коэффициента пропускной способности, указанного изготовителем. Диапазон регулирования (rangeability) в данных изготовителей — это отношение максимального коэффициента пропускной способности к минимальному используемому; он зависит от конструкции клапана.

·         Если диапазон не укладывается: рассматривают уменьшенный трим или проход, другую характеристику, другой тип корпуса либо два клапана параллельно или с разделённым диапазоном (split range).

Ограничения подхода и неподходящие условия

·         Если в минимальном или максимальном режиме возможны запирание потока, кавитация или вскипание, простое выражение для Kv неприменимо; тип клапана и трим проверяются отдельно с учётом этих явлений.

·         Для двухфазных потоков, пульп, сред с твёрдыми включениями и неньютоновских жидкостей стандартные уравнения напрямую не применяются; нужна отдельная оценка совместно с изготовителем.

·         Для высоковязких жидкостей или очень малых расходов может потребоваться поправка на ламинарный/переходный режим.

·         Для газа и пара с ростом отношения ΔP/P1 определяющими становятся расширение и предел запирания; выражение для жидкости использовать нельзя.

·         Для многоступенчатых тримов и больших перепадов подбор выполняется по ступенчатому расчёту изготовителя.

·         Если клапан выполняет и функцию безопасности (например, аварийное закрытие), функции регулирования и безопасности задаются раздельно, а требование SIL указывается отдельно.

Как неполные данные искажают сравнение предложений

При неполных данных каждый поставщик заполняет пробел собственным допущением: один принимает плотность воды, другой — постоянный ΔP, третий не учитывает переходы. В итоге для одной позиции предлагаются разные размеры корпуса, тримы и приводы, и предложения технически несопоставимы, даже если цены стоят рядом. Наиболее частые последствия:

·         Задан только нормальный режим: нехватка пропускной способности в максимальном режиме или неустойчивая работа у самого седла в минимальном.

·         Не заданы давление насыщенных паров и критическое давление: риск кавитации и вскипания не виден на стадии предложения и проявляется при пусконаладке.

·         Не заданы перепад при закрытии и положение при отказе: привод выбирается с недостаточным усилием, или при потере воздуха клапан уходит в неожиданное положение.

·         Не заданы взрывоопасная зона и сигнал: позиционеры и комплектующие приходится заменять позже.

Связанные страницы продукции и услуг

Связанные страницы

·         регулирующие клапаны: Общий обзор типов регулирующих клапанов.

·         седельный регулирующий клапан (globe): Конструкция с поступательным штоком, часто рассматриваемая для больших перепадов и точного регулирования.

·         высокоэффективные поворотные дисковые регулирующие затворы: Регулирование с высокой пропускной способностью на больших диаметрах.

·         инжиниринг измерений и контроля: Анализ технологических данных, подбор приборов и поддержка при пусконаладке.

Часто задаваемые вопросы

Поставщик указывает только Cv. Как пересчитать в Kv?

Используйте Kv ≈ 0,865 × Cv; обратно Cv ≈ 1,156 × Kv. При сравнении предложений сначала приведите все значения к одному коэффициенту.

Что делать, если минимальный расход неизвестен?

Нужно рассмотреть пуск, работу на пониженной нагрузке и вероятные будущие режимы и задать реалистичный минимум. Без минимального режима нельзя оценить, сможет ли клапан регулировать вблизи седла.

Достаточно ли указать класс герметичности, чтобы определить требование к закрытию?

Нет. Вместе с классом указывают перепад давления при закрытии и направление потока; по этим данным выбираются усилие привода и конструкция седла.

Если я уже рассчитал Kv, можно указать в опросном листе только Kv?

Нет. Поставщику нужны и исходные технологические данные, чтобы пересчитать свой клапан по IEC 60534-2-1 и выполнить проверки на кавитацию, шум и герметичность.

Поделитесь этой записью

Есть вопросы?