SGIN 0053-2000
XT 额定压力降比 XTP 阀和管件压力降比的乘积 Y 膨胀系数 Z 相对于零势能平面的高度 η 声效系数
m
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2 调节阀尺寸计算
2.1 不可压缩流体的调节阀计算 2.1.1 调节阀计算公式的推导：
调节阀计算主要遵循能量守恒和物质守恒(流体连续性) 热力学第一定律：
?v2P?????gZ?w?q?U?常数 (2.1.1－1) ?2g??c?? 忽略系统内能的变化，热力学第一定律数学表达式可以转化为如下的形式：
v2P ??gZ?常数
2gc?(2.1.1－2)
该公式中的各项分别是：速度头、压力头和势能，他们均率属于机械能可以直接作功。该运动学方程被称为伯努利方程。
流体经过阀门还遵循流体质量守恒定律，对于稳流情况下，其数学表达式如下所示：
?vA = 常数
该方程被称为流体连续性方程。 对于液体调节阀计算的假设： (1) 流体是不可压缩的 (2) 流动是稳定的 (3) 流动是一维的 (4) 按非粘性流体来分析 (5) 流体不发生相变 2.1.2 概念和术语
缩流Vena Contracta: 流体经过调节阀节流件其流通面积会缩小，在流束的最小截面处对应的点称为缩流点。
在缩流处点上下游处流体的流动状况是不同的。从上游侧到缩流处的各点，其流动状态非常接近理想状态（热力学等熵过程）。根据伯努利方程，机械能本身并没有损失，仅仅从一种形式转化为另一种形式。进一步说，因为流束的中心线的改变非常小，则其高度的变化可以忽略不计，忽略位能的影响，流体的能量单纯地从压力能变为动能，流体连续性方程适用于该过程。在流体通过节
(2.1.1－3)
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流件时，流速与流体的流通面积成反比。 由上面公式可以推导出在缩流处流速的公式
? v1 A1 = 常数 ? vVC AVC = 常数
vVC?v1?A1 AVC (2.1.2－1)
注：上面公式中的符号使用的下角标含义如下： 1 ――对应节流件上游 2 ――对应节流件下游
VC ――对应缩流处
根据伯努利方程，忽略高度的变化得到如下的公式：
?v122gc?P1??vVC22gc?PVC (2.1.2－2)
推导得出如下的缩流处压力PVC计算公式：
PVC?P1??v12?A1?2()?1?? 2gc?AVC?(2.1.2－3)
在流束截面积最小处，流速最大，流体压力最小。
对于从缩流处到阀门下游的流体状态是属于非理想状态的，伯努利方程不再适用。根据流体连续性方程，由于在下游流通截面积被恢复，流速也被恢复。但由于是非理想状况，总的机械能并未被恢复，有一部分机械能被流体本身吸收或以热能的形式被环境吸收。 由热力学第一定律可得到：
vPvPU1?1?1?gZ1?q?U2?2?2?gZ2?w
2gc?2gc?公式变为：
22(2.1.2－4)
因为经过节流件并没有作功，忽略高度的变化，将各个热力项合并为单独一项H1
ρv1ρv?P1?2?P2?H1 2gc2gcP1 = P2 + H1
22(2.1.2－5)
由于速度在下游处恢复到上游处的流速，这样上式转化为：
上式表明流体经过节流件时，压力下降而热力项增加，这种热力项损失与速度的平方成正比，通常用下面的方程式来表示：
H1?KS?
?v22
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比例常数KS 为有效压力损失系数并由经验确定。由上式可见：流速与压力降的平方根成比例，体积流量由已知的速度和在已知点的相应的面积来确定：
Q?v2A2?A2?2?(P1?P2) (2.1.2－6)
?KS且 ????G??w 我们定义CV为:
CV?A2?则不可压缩流体的调节阀流量计算公式为：
2 ?wKSQ?CV?P1?P2 G (2.1.2－7)
上式中压力单位为磅/英寸2，而流量单位为加仑每分钟(GPM )。 2.1.3 流通能力系数的确定
为了保证流量测量的精确性和统一性，不论是对流量的测量、还是尺寸计算都需要采用由美国仪表协会(ISA)制定的标准进行。
在阀门尺寸计算中，有一些参数是由阀门的类型和尺寸确定的，制造厂和调节阀选型计算需要将这些值带入到公式中。这些参数包括：
流通能力系数(CV)、 压力恢复系数(Fl)、管道修正因子(FP) ,雷诺数修正因子(FR)。 对于阀门选型的应用场合,流通能力系数(CV)的计算可以采用如下的公式:
CV?Q
P1?P2G 对于阀门已经选定,根据流量求压降,或已知压降计算流量的场合,可以利用上面的公式的变形来求解。
对于不同工况下,采用公式(2.1.2－7)计算出的不可压缩流体的流量与实际流量存在差异,通过引入修正因子来消除或补偿这种误差的影响。 修正后的流量计算公式为:
Q?(N1FpFR)?CV?式中:
P1?P2 G (2.1.2－8)
N1--比例系数 FP--管道修正系数
FR--雷诺数修正系数
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2.1.4 阻塞流
公式(2.1.2－7)表明流量与压差的平方根成比例,该比例关系是在前面5项假设条件下得出的结论,是有条件的,对于一已知的阀门,增加阀门两端的压差,并不能使通过阀门的流量无限增加,当压差增加到某一点时,实际的质量流量的增加小于预期的流量,这种限制质量流量的情况称为阻塞流。
液体经过节流件,由于截面积的缩小,流速增加、压力下降。在流量出口处,流速恢复到它原来的值。此时压力仅仅恢复一部分,使节流件两端产生差压。在压差增加时,通过节流件的流速增加,并使缩流处的压力下降,当缩流处的最小压力低于该工况下的液体饱和蒸汽压,这时液体产生部分汽化,变成了热力学不稳定状态。该液体作为气液两相混合物,不能作为不可压缩流体来处理了。 液体阻塞流的正确机理没有完全确定,对于气体来说,阻塞流和临界流二者是共存的,当气体流成为临界(阻塞)流时,流体速度等于声波的速度。对于一个不可压缩流体,当其具有很高的波速时,从实际来说他是不会发生阻塞流的。而对于气-液和汽-液两相混合物,特别是很低声波速度时,,有可能使混合物的速度等于声波的速度,而发生阻塞流。
从另一角度,他考虑了缩流处的混合物密度的变化,在缩流处压力降低导致混合物密度下降,可以补偿由于混合物流速增加造成的影响。
为了避免产生阻塞流,不能选择过小尺寸的阀门。在已知阀门的最大流量的条件下,将热力学性质和调节阀压力恢复性能结合起来,确定可采用的最大压差。该压差对应着出现阻塞流的临界情况。 压力恢复系数rC 定义为:
KM?P1?P2
P1?PVC (2.1.4－1)
在阻塞流的情况下 PVC = rc*Pv
由于在入口和缩流处之间的温度变化不明显,蒸汽压力Pv可按照入口温度来确定。临界压力比rc是流体热力学的一个性质。通常与流体的种类有关。,在不过多牺牲精度的前提下,可用下面的公式来确定:
rC?FF?0.96?0.28?PV PC
(2.1.4－2)
Km值是由每种类型阀门和考虑阀门压力恢复特性、并通过单独测试确定的。 把产生流体阻塞处的压差称为允许压差, 允许压差的取值可以按照下面的公式得到。
(P1?P2)允许?Km?(P1?rCPV)
(2.1.4－3)
把该公式中的允许压差带入到公式(2.1.2－7)中得到已知阀门的阻塞流速率,如果该流率小于所要求的流率，则阀门的尺寸不够大，需要选一个较大的阀门重新计算阀门的CV和Km值。 不发生阻塞流的最大流量QMAX可以按照下式计算：
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(2.1.4－4)
Qmax?N1?F1?CV?式中N1 为单位换算系数
P1?FFPV GF1?KM FF = rC
2.1.5 空化 Caviation
与阻塞流密切相关的是空化现象,即在流动的液体中气泡的产生和破裂。如果在调节阀选型中忽视空化作用，会带来噪声，振动，并可能导致阀门内件的破坏。
在压力降低到液体的蒸汽压力时，在缩流处会产生气泡，在下游压力恢复到高于该温度下液体的蒸汽压力时，气体又会转变为液体。这种从液体-气体-液体的整个相变过程称为空化。在相变过程中流体处于热力学不稳定状态，尤其在从蒸汽相变到液体时会给阀门带来很大的冲击，是阀门材质损坏的主要原因。
压力恢复特性对于空化的产生有很大的影响，存在着两类阀门，一种是高压力恢复阀，另一种是低压力恢复阀，从入口到缩流处压差(P1-Pvc)的恢复百分比大的阀门为高压力恢复阀，反之则为低压力恢复阀。在使用条件下、高压力恢复阀具有相对低的缩流处压力，因而容易发生空化现象，如果流过每个阀门的入口和缩流处的压力都相等，低压力恢复阀气泡破裂的潜力与(P2-Pvc)有关，因而空化的强度要小一些。低压力恢复阀更适合于空化场合。 流体流动场合下出现空化的可能性按照下面两条来判断: (1) 使用压差等于允许压差
(2) 出口压力大于流体的饱和蒸汽压力
如果两个条件都满足则可能出现空化，由于空化潜伏着危险性，不推荐在该区域作为调节阀选型计算的依据。为了防止空化作用导致的阀门内件受到破坏。应该选用抗空化的阀门内件，或者改变阀门内件的材质。由于不同的阀门制造厂商在阀门设计上存在差别，不可能在计算尺寸时提出通用的准则。
2.1.6 闪蒸 Flashing
闪蒸在阻塞流和空化具有共同的特性，在缩流处液体开始汽化，在闪蒸时，缩流处的压力永远不会恢复到液体的蒸汽压力。这样使流体仍处于气相。在闪蒸状态，液-气混合物对材质具有很强的冲蚀作用。流过阀门的流量被严重限制。如果P2 ＜ Pv 或其他使用条件表明有闪蒸现象，用于该闪蒸场合的调节阀应由制造厂确认。规范和应用实践都不推荐选用该类型调节阀。 2.1.7 粘滞流
计算阀门尺寸的前提之一是，流体呈现湍流状态。湍流和层流都是流体的流动形式，它是表示流体的流动状态的特征。层流时，全部流体质点一个接一个依次向一个方向移动不使流体混合。湍流时，流体按照速度方向和大小呈不规则流动。湍流造成明显的流体混合。为了研究方便，人们定
设计导则 中国石化工程建设公司
调节阀计算导则 SGIN 0053 -2000 实施日期 2000年11月 20日 共 40 页 第 1 页 目 录
序言…………………………………………………………………………... 3 1 说明
1.1 名词和术语…………………………………………………………….4 1.2 单位说明……………………………………………………………….5 1.3 计算公式中的符号说明……………………………………………….5 2 调节阀尺寸计算
2.1 不可压缩流体的调节阀计算………………………………………….6 2.2 可压缩流体的调节阀计算…………………………………………….13 2.3 两相流流体的调节阀计算…………………………………………….17 3 调节阀噪声计算
3.1 液体噪声估算………………………………………………………….17 3.2 气体噪声估算 ………………………………………………………….17 3.3 蒸汽噪声估算 ………………………………………………………….17 4 调节阀计算程序说明
4.1 InstruCalc…………………………………………………………….17 4.2 Intools………………………………………………………………..18 5 附录A InstruCALC 调节阀计算公式
5.1 不可压缩流体的调节阀计算 ………………………………………..19 5.2 气体调节阀计算公式………………………………………………….20 5.3 两相流阀门计算……………………………………………………….22 6 附录B INtools 调节阀计算公式
6.1 不可压缩流体的调节阀计算 ………………………………………….24
6.2 可压缩流体(气体、蒸汽)的阀门计算……………………………….27
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7 附件C INtools 调节阀噪声计算公式
7.1 按Masoneilan标准计算水力学噪声………………………………….30 7.2 按IEC标准计算水力学噪声 ……………………………………….30 7.3 空气动力学噪音 ( ISA 标准) …………………………………….32 7.4 空气动力学噪音 ( IEC 标准) …………………………………….36
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序言
本导则规定了调节阀的计算方法和选型的原则，正确的计算与合理地选用调节阀才能很好地实现控制功能、节省投资、并避免出现控制精度低、阀门在小流量时不稳定、阀门使用寿命短、以及由于闪蒸或空化作用所导致的阀门损坏等问题。
调节阀的计算主要依据ISA 或IEC的相关标准，亦可采用Fisher-Rosemount、 Masoneilan计算公式，这些标准提供的调节阀计算公式是依据大量的实验测试得出的，它们成立是有条件的。例如根据ANSI/ISA S75.01标准计算不可压缩流体的调节阀流通能力，提出下面几点限制条件： (1) 流体是不可压缩的 (2) 流动是稳定的 (3) 流动是一维的 (4) 按非粘性流体来分析 (5) 流体不发生相变
当缩流处的压力小于该操作条件下液体蒸汽压时，部分液体会汽化，流体呈现气液两相状态，这是一种热力学不稳定状态。不能按照一般的流体计算公式来计算流通能力CV。因为流体已经不能视为不可压缩流体。当压差大于等于允许压差，流体处于阻塞流状态，在阻塞流状态流量与压降的开方不再成比例。ISA标准提出了对应于阻塞流状态的流量计算公式，该公式中引入临界压力比系数以克服阻塞流的影响。
各种标准的调节阀计算公式都对流体作出如下的限制：即流体是牛顿型不可压缩流体(液体)、牛顿型可压缩流体(气体、蒸汽)、以及上述两种流体的均匀混合物。
由于实际使用与实验测试条件不同，例如调节阀配管中其他阻力件的引入、流体的流动状态的变化等，都会导致计算结果出现误差。通过在公式中引入管道修正系数，雷诺数修正系数以补偿（或减少）这种误差。
调节阀尺寸计算主要涉及如何确定阀门的流通能力CV, 流通能力又是确定阀门尺寸的重要依据，结合计算Cv值和阀门制造厂的选型数据确定选用CV值和阀门的口径。而确定阀门尺寸是属于阀门选型过程。这些计算公式同样适用于在阀门已经确定的条件下，根据阀前后的压降计算通过阀的流量、或者根据通过阀的流量计算阀两端的压降。后者称为使用计算；前者（确定流通能力CV）称为选型计算。
影响阀门计算的因素很多，对于不可压缩流体来说，阀两端的压降、流体是否出现阻塞流，流体的流动状态、管路系统中其他阻力件的引入都会影响阀门流通能力的计算。此外由于流通能力是以液体来标定的，对于气体来说不同流路形式的阀门，虽然流通能力相同、实际使用效果可能存在很大差异。
对于直流路的蝶阀和球阀、其压力恢复能力强。对于单座阀、套筒阀等流道为非流线型的阀门，
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其压力恢复能力较差。在阀门选型时、具有相同流通能力的球阀和单座阀,由于前者流道具有直线性，具有较小的流通面积，对于气体来说阀门结构形式的差别对流通量的影响很小，而流通面积产生的影响却很大。因此对气体来说，在相同工况下, 球阀比单座阀更容易出现临界流和阻塞流情况,实际通过的最大流量也要小于相应的单座阀。高压力恢复阀（如球阀）的允许压差要小于低压力恢复阀（如单座阀）。
1 说明
1.1 名词和术语
阀流通能力CV:
在阀门全开的条件下，温度60 oF (华氏度)的水，在１lb/in2压降下,每分钟通过的流体数量。（单位：美国加仑）
缩流Vena Contracta:
流体经过调节阀节流件其流通面积会缩小，在流束的最小截面处对应的点称为缩流点。在缩流点上下游处流体的流动状况是不同的。从上游侧到缩流处的各点，其流动状态非常接近理想状态（热力学等熵过程）。根据伯努利方程，机械能本身并没有损失，仅仅从一种形式转化为另一种形式。忽略位能的影响，流体的能量单纯地从压力能变为动能。
对于从缩流处到调节阀下游的流体状态是属于非理想状态的，下游流体的流速被恢复,但压力不能完全恢复，有一部分机械能被流体本身吸收或以热能的形式被环境吸收。
阻塞流：对于一已知的阀门,增加阀门两端的压差,并不能使通过阀门的流量无限增加,当压差增加到某一点时,实际的质量流量的增加小于预期的流量,这种限制质量流量的情况称为阻塞流。
允许压差：把产生流体阻塞处的压差称为允许压差。对于不可压缩流体，如果阀门的压降大于允许压差，在阀门节流件的缩流处的压力低于该状态下的液体蒸汽压，部分液体汽化，进入到热力学不稳定状态。调节阀计算中应避免出现阻塞流。将允许压差带入到流量计算公式中得到阀门的阻塞流速率,如果该流率小于所要求的最大流率，则阀门的尺寸不够大，需要选一个较大的阀门重新计算阀门的CV 。
空化 ：在压力降低到液体的蒸汽压力时，在缩流处会产生气泡，在下游压力恢复到高于该温度下液体的蒸汽压力时，气体又会转变为液体。这种从液体-气体-液体的整个相变过程称为空化。 1.2 单位说明
本文中的计算公式的单位多采用英制单位，采用工程单位或国际标准SI单位，仅需要在公式中增加一项单位转换系数或改变原有的系数。
对于可压缩流体，当选定其流量单位为体积流量时，在INTOOLS软件会提示用户该流量是对应于 @flow、 @Normal、Standard 、@Base四种状态中的哪一种。
@flow ：对应于操作状态
@Normal ：对应于公制的标准状态，即温度为0℃ 、压力为1 atm 。
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Standard ： 对应于英制的标准状态，即温度为60 OF 、压力为1 atm 。
@Base ：指某一基准状态，当某一状态的工艺数据为已知时，可以将该工况设为基准状态，可以利用该基准状态去计算另一状态下的数据,为方便起见通常将基准状态设为@Normal标准状态或Standard标准状态。
1.3 计算公式中的符号说明
A 流体的横截面积 CV 阀流通能力 D 阀公称直径 D1 阀入口管道内径 D2 阀出口管道内径
γn 操作温度、压力下的流体密度 Fd 阀型式修正系数
? 比热比
FK 比热比系数 FL 额定压力恢复系数 FLP 等效的液体压力恢复系数 FP 管道修正系数 FR 雷诺数校正系数 Gf 操作状态下比重 M 分子量 MS 操作状态下马赫数 P 压力 P1 上游绝对压力 P2 下游绝对压力 PC 临界压力 PVAP 液体饱和蒸汽压力 ΔP 阀门压力降 SL 噪音 SLG 气体属性系数 t 管道壁厚 T1 上游绝对温度 TSH 蒸汽过热温度 ReD 雷诺数 v 流速 Ve 两相流等效比容 Vf 液体比容 vg 气体比容 Vg 气体百分比 Q 流量 W 总流量 Wf 液体流量 Wg 气体流量 X1 压力降与阀入口压力比
m2
in in in lb/in3
Pa（A ） Pa（A ） Pa（A ） Pa（A ） Pa（A ） Pa dB(A) dB(A) in R oF m/s ft3/lb ft3
/lb ft3
/lb gal lb/h lb/h lb/h
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义了界于湍流和层流之间的一种流动状态-过渡状态（Transition）。
雷诺数是表征流体的流动状态的一个物理量，它是粘滞力和惯性力的比值，受粘滞力支配则为层流，受惯性力支配则为非粘滞流。在流动状态变化时，流体性能随之变化。调节阀尺寸计算的本质是利用能量的损失得到通过节流件的流量。对于非粘滞流，其能量的损失与速度的平方成正比。对于层流状态，其能量的损失与流速成线性关系。在过渡状态，能量的损失是变化的，在流速相同时，不同流动状态下通过节流件的压差是不同的。
为了补偿流体流动状态的造成的影响引入了雷诺数校正系数FR, 流通能力系数CV的取值为：
CV = FR CVR
式中 CVR --为额定流通能力。
调节阀的雷诺数可以按照下面的公式计算：
?1N4?Fd?QCV2?2ReD???F?()?1?L?0.52??(FL?CV)d?N2?0.25(2
－1)
上式中的CV值可以使用公式(2.1.2－7)中的额定流通能力系数来代替，FR 因子可以根据雷诺数Re值，查表得到。
此外由于阀门安装时管路中存在弯头、大小头、三通等阻力件。为了校正现场安装阀门与标准测试条件阀门的差别，又引入了FP和FLp参数。前者校正不可压缩段的流量方程式；后者校正阻塞流范围段的流量方程式。其表达式为:
?1/2??K?CV?2?Fp????2??1????N2?d??
?1/2(2.1.7－2)
?FL2K1?CV?2?FLp?FL????2??1?N???2?d?? (2.1.7－3)
公式?????????中的?K项指与阀门相连接的各管件引起的总压力损失系数和阀门入口、出口的柏努利系数。柏努利系数指表征能量的速度头和柏努利方程式的一些系数。柏努利方程式考虑了运动能量的变化而导致流体横截面积的变化。可利用下式来计算:
?d?KB入口?1???
?D??d?KB出口????1
?D? 公式(2.1.7－3)中包含压损系数和入口侧的柏努利系数，当没有压损系数或测试数据时，压损系数可以从参考资料中得到。引入了FP和FLp参数后的调节阀流量公式为： 对不可压缩流体：
44Q?Fp?CV?
P1?P2 G(2.1.7－4)
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对阻塞流：
Qmax?Fl?CV?P1?FFPV G(2.1.7－5)
在调节阀计算中，有一些因素影响了调节阀尺寸计算，例如空化、闪蒸、阻塞流、和粘滞流性能、以及调节阀的配管安装情况，如果不认真考虑上面因素，调节阀的流量控制不仅不能满足精度要求，而且会给调节阀长期安全使用带来问题。 2.2 可压缩流体的调节阀计算 阀门尺寸不合适造成的影响：
阀门尺寸过大：投资过大，控制作用不易精确实现、容易产生不稳定 阀门尺寸过小：无法满足工艺对流量的要求。
利用液体调节阀计算公式，通过引入修正系数进行计算，不可压缩流体的调节阀计算公式为：
QGPM?CV?P1?P2 G(2.2－1)
可压缩流体的调节阀计算公式应该将公式(2.2-1)中的质量流量转化为体积流量，并将液体比重G转换为对气体流量更有意义的压力，并通过引入系数解决单位转换所引起的数据变动， 适用于60华氏度下空气的流量方程为：
QSCFH?59.64?CV?P1?P1?P2 P1对于任何温度下的任何气体，只需要按照查里气体定律做一些简单修正，即：
QSCFH?59.64?CV?P1?式中 G 为气体的比重
T 为气体的绝对温度
P1?P2520 ?P1GT(2.2－2)
上面公式的适用条件是有限制的，它没有考虑压缩效应和临界流引起的后果。从实际的流量曲线可以看到：该公式仅仅在压降比小于0.02时，计算结果与实际流量相一致，这是由于该公式假设流体为不可压缩流体。当压降比大于0.02时，气体不能作为不可压缩流体来看待。
可以将阀门看作管路中的一个节流件，当阀门两端的?P增加时，流量会增加，缩流处的流量也相应地增加。在?P增加到某一值时，气体在缩流处达到声速，这时气体不再遵从正常情况，即达到了阻塞流状况 ，这时就称为临界流。达到临界流后，公式(2.2－2)不再适用了，流量不再随?P增加。
对于临界状态和亚临界状态流体的流量调节，在压降比小于0.5时，可以采用下面三个修正公式：
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(P1?P2)?P2
GT(P1?P2)?P1
GTQ?1360?CV?Q?1364?CV?Q?1360?CV?(P1?P2)(P1?P2) ?GT2由以上公式可见，在临界流情况下，流量不再仅仅决定于阀门两端的压降。
阀门分为高压力恢复阀和低压力恢复阀，高压力恢复阀具有完全流线型的流道，比低压力恢复阀具有更高的效率。在相同流通面积，流通量相等的情况下，高压力恢复阀的阀门压降比低压力恢复阀为低，这反映了速度在缩流下游处转变为压力的能力。在临界流时，高压力恢复阀的压降比要小于低压力恢复阀。
具有相同CV值的高压力恢复阀和低压力恢复阀其临界流流量是不同的，高压力恢复阀压降比小，其临界流要小于低压力恢复阀的临界流。虽然高压力恢复阀和低压力恢复阀具有相同的CV,高压力恢复阀的尺寸可以比低压力恢复阀小得多。阀门的几何形状对液体影响很大，而气体的临界流在本质上只决定于阀门的流通面积。因此小尺寸的高压力恢复阀只能流过较小的临界流。但由于它具有较大尺寸的流线型几何形状。其通过的液体流量可与较大尺寸的低压力恢复阀同样多。
气体尺寸系数Cg
问题：利用CV来预测高压力恢复阀和低压力恢复阀的临界流存在问题。
解决：利用气体尺寸系数Cg来预测高压力恢复阀和低压力恢复阀的临界流量，Cg只与临界流和阀门入口的绝对压力有关。
求解Cg的方程式为：
Q临界?Cg?P1
公式中的Cg是60华氏度下空气的临界流条件下测试出来的，对于任何温度
Q临界?Cg?P1?520/GT
下的各种气体，可以利用理想气体状态方程得到。 对于过渡区的流量计算
Fisher 公司的研究人员通过大量的实验测试，流量曲线斜率区的所有测试点，在标准的正弦曲线的第一个1/4周期内都是十分接近的。
通用的气体计算公式
该计算公式可以预测出各种气体在任意使用条件下，不论是高压力恢复阀还是低压力恢复阀的流量。将基本的CV计算公式和临界流计算公式结合起来，公式中引入了新的因子C1 。
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(2.2－3)
?P?P?520QSCFH?C?P1?sin?(59.64/C1)?12??
P1?RadGT?C1定义为气体尺寸计算系数和液体尺寸计算系数之比，即C1 = Cg /CV
利用C1可以确定阀门是高压力恢复阀还是低压力恢复阀。C1与阀门的恢复特性有关，并且一般来说C1值约为 16 ~ 37, 高压力恢复阀的C1值较小，而低压力恢复阀的C1值较大。
该通用公式在两种极限情况下可以转变为前面推导的公式，一种是压降比非常小，由三角几何中知识得到：在角度(弧)非常小时，其正弦可以近似为以弧度表示的角。该公式可以转化为公式(2.2－2)的形式；另一种是出现临界流的情况，其正弦函数对应第一个1/4周期的峰值，正弦函数的值等于1，这一点的压降比称为临界压降比。该通用方程转变为临界流方程式(公式2.1) 的形式。起初提出这个通用气体计算公式是用实验为基础测定气体尺寸系数Cg来预测出各种类型阀门的临界流。
该通用公式的另一种表达形式是以角度来表示，公式变换为：
?P?P?520QSCFH?Cg?P1?sin?(3417/C1)?12??
P1?DegGT? (2.2－4)
阀门两端压降增大时，正弦角可以从0度增加到90度，如果角度超过90度,则方程得到的流量要减少。因此需要限制正弦角的最大值不超过90度。
公式(24)中采用理想气体状态方程进行修正，对于非理想气体的流量测量还有如下更通用的计算公式：
?P?P?QSCFH?1.06?d1P1?Cg?sin?(3417/C1)?12?
P1?Deg?(2.2－5)
式中: Qlb/hr 为气体或蒸气流量 （磅/小时）
D1 为入口气体的密度 （磅/英尺3）
该公式需要已知入口气体的密度、由于蒸气的密度为已知条件，它通常用于蒸气的流量测量，对于压力小于1000 Psi(G)的场合，可以利用下面的公式计算蒸气流量。
?P?P?Qlb/hr?1.06?[CSP1/(1?0.00065?Tsh)]?Cg?sin?(3417/C1)?12?
P1?Deg? (2.2－6)
式中 Cs 为蒸气尺寸系数、Tsh 为蒸气过热度(华氏度)
对于蒸气压力小于1000 Psi(G)时的气体尺寸系数Cg和蒸气尺寸系数Cs间存在一常数关系。Cs = Cg /20。
在蒸气过热后密度发生变化，可以引入过热校正因子来补偿公式(2.2-5)中的入口蒸气密度。当蒸气压力高于1000 Psi(G)时,公式(2.2－6)不再成立，过热校正也不再有效，在较高压力时应该按照公式(2.2－5)进行计算。
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结论：
通用气体尺寸计算公式可用于测定流过任何类型阀门的气体流量，公式中使用绝对温度和绝对压力单位。当由于临界压降比而引起正弦角为90度时，方程式可预测出临界流量值。在使用情况下可能出现大于90度的情况，方程式限制正弦角的取值不大于90度，以便正确求取实际的临界流。
通用气体尺寸计算公式最常用的场合是根据已知的使用条件，合理的确定阀门的尺寸。第一步是利用通用气体尺寸计算公式计算出Cg值。第二步对计算出的Cg值按相等或大一些的Cg值，从样本中选取阀门。
正确计算气体阀门尺寸需要两个参数，Cg 和C1,只用一个系数是无法同时满足阀门的压力恢复特性和流通能力的。
2.3 两相流流体的调节阀计算
略，（见附录）
3 调节阀噪声计算
3.1 液体噪声估算 略，（见附录） 3.2 气体噪声估算 略，（见附录） 3.3 蒸汽噪声估算
略，（见附录）
４ 调节阀计算程序说明
4.1 InstruCalc
InstruCalc 程序包的调节阀计算程序可以针对液体、气体、两相流完成调节阀的选型计算或使用计算。具体地说：
(1) 在已知流量和压降的情况下可以计算阀门的流通能力。 (2) 在已知阀门流通能力CV和压降的情况下可以计算阀门的流量。 (3) 在已知阀门流通能力CV下计算阀门不同流量下的压力降。 此外还并可以估算出不同工况下的噪音等级。
我们以流通能力计算为例来说明该程序需要那些数据输入、以及计算结果中包含那些数据输出。对于不同工况下压降或流量的计算，由于与流通能力计算采用相同的公式（仅仅公式变形）,可以参照对流通能力计算的数据约束的分析。
对液体来说，数据输入包括四部分：操作数据、流体物性数据和阀门结构数据和其他数据。其中阀门结构数据可以通过从阀门列表中选择阀门类型、流量特性及流开/流闭形式得到，这些数据
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包括阀压力恢复系数FL、阀门结构形式修正系数Fd、汽蚀指数KC等。
流体物性数据包括临界压力，液体蒸汽压、操作状态下的动力粘度及操作状态下的比重。InstruCalc 程序包本身包含流体物性数据库，对于常用的流体可以直接选择，对于由列表中的流体组成、且已知各组分百分含量的混合流体也可以得到等效于单体的物性数据、程序可以根据操作数据(如温度,压力) 自动地计算各个工况下的物性数据。用户也可以直接输入这些数据。 操作数据包括：质量（或体积）流量、流体温度、阀入口压力、阀压降；除此之外还包括其他一些数据: 如管道尺寸、壁厚、选用阀门尺寸，额定CV。其中管道壁厚对于阀门噪音计算是必不可少的。用户可以凭经验给出选用阀门尺寸，如果计算结果流通能力不足以通过最大流量，系统会提示用户增加阀门尺寸。额定CV不一定输入，输入额定CV值会影响输出结果中的计算CV和额定CV的比值。
程序的输出结果还包括气蚀指数、阀门计算中使用的压力降，阀门的噪音，阀门在工况下的工作状态。由于阻塞流情况下,阀门的压力降与临界压力比有关。代入阀门计算公式中的压力降应为(P1-FF PV)。阀门的工作状态是指阀门在该工况下是否出现闪蒸或空化现象；是否出现阻塞流状态。流动状态是湍流、层流、或过渡流。
对气体来说，不需要临界压力和液体蒸汽压两项物性数据。但增加了分子量、操作状态密度、等熵指数项。而声效系数与阀门结构形式和工作状态有关，用户可以不输入该项数据、程序会自动计算每个工况下的声效系数。对气体来说阀门结构数据包括阀压力恢复系数FL、和阀临界压差比XT , 这些数据可以通过从阀门列表中选择阀门类型、流量特性及流开/流闭形式后自动得到。程序需要这些数据来进行调节阀计算。其他输入和输出数据同上。
对两相流流体需要分别输入构成两相流的气体（或蒸汽）和液体的数据，对输入数据的要求同上。与气体或液体调节阀计算的区别为：两相流不计算流量、而只计算压降和流通能力系数C。 4.2 Intools
Intools调节阀计算只能用于调节阀流通能力的计算，它不包括流量特性的选择、以及额定流通能力CV Rate、选用流通能力CV SEL 的确定。不包括调节阀开度验算。 4.2.1 不可压缩流体调节阀计算
调节阀计算需要管道内径和壁厚数据，这些数据在建立管道时由用户输入，在进行调节阀计算前，用户需要指定调节阀的管线号。
在已知某一工况下的质量流量，系统可以计算该工况下的计算CV值。但对于调节阀流通能力CV的确定是不够的。系统需要最大流量、正常流量对应工况下的工艺数据和物性数据。最小流量对应的工况对于确定调节阀的流量特性、保证一定的可调比以及防止在小流量时出现振荡具有一定作用。
这些参数包括：
阀入口温度、阀入口压力、阀压降
动力粘度、操作密度(或比重)、临界压力、液体蒸汽压
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此外在阀门计算时还提供了缺省的阀门结构数据,不同的制造厂由于阀门结构形式不同可能提供的参数不同，您也可以按照制造厂提供的数据修改参数,重新计算。阀门结构数据与您选择的阀门类型、流路数有关，这些参数包括：临界流系数、阀门形式修正系数Fd、相对流通能力CV/d2。此外您还需要输入用于试算的阀门尺寸。
计算结果包括：三种工况下的计算CV值, 每种工况下的噪声等级，以及相应的流体状态。 4.2.2 可压缩流体调节阀计算
可压缩流体与不可压缩流体调节阀计算的数据要求是相近的。在物性数据方面可压缩流体需要：
阀入口温度、阀入口压力、阀压降
动力粘度、操作密度(或压缩系数)、比重（或分子量）。 4.2.3 两相流流体的调节阀计算
需要的输入数据包括了不可压缩流体和可压缩流体数据输入项。
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5 附录A InstruCALC 调节阀计算公式
5.1 不可压缩流体的调节阀计算 (1) 计算缩流处的压力降
PVC?P?P1??0.96?0.28VAP?PC???PVAP ?? (2) 计算临界压力降
2PCRIT?FLPVC
(3) 计算调节阀初始流通能力系数
CV? (4) 计算雷诺数
W500?PGf
ReD??34.6*FdW?FLCV?1?? 2890d?CPFLCV????2214 (5) 计算雷诺数校正因子
?CVSFR?1.044?0.358??C?VT????0.655
(公式中的 Cvs,,FS 参数由下面的公式计算
CVS1?FS?W?CP????23500?G?Pf??0.6667
0.1667FS?Fd0.66670.333FL?FL2CV2????1?890d2???
式中 CVT 用初始流通能力系数CV代入。 (6) 计算压力恢复和管道校正因子
?(K1?KB1)FL2CV2?FLP?FL??1?4890d?????0.5
?0.5?(K1?K2?KB1?KB2)CV2?FP???1?4890d????
式中 K1、K2、KB1、KB2的取值按下面的公式计算:
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4KB1?d??1???D??
?1??d??1???D??
?2?24KB22??d? K1?0.5*?1?2???D1?2??d?K2??1??D2?
2??2 (7) 计算最终的阀门流通能力
对应流体不同的流动状态其流通能力计算公式分别为: 湍流状态
CV?式中: C0 --为初始CV值 过渡流状态
C0 FPCV?式中: C0 --为初始CV值 层流状态CVS
C0 FRCV?CVS
出现阻塞流或闪蒸现象
CV? (8) 噪音计算公式
W500?FLP?PCRITGf
SL?10*logCV?20*log?P?30*log(t)?5
对于初始空化场合应为
??P?P?PSL?10*logCV?20*log?P?30*log(t)?5?5??12VAP?FL?Kc??
????log(P2?1?PVAP) ???
SGIN 0053-2000 第 20 页 共 40 页
对于完全空化场合噪音计算公式应为：
SL?10*logCV?20*log?P?30*log(t)?5?
??P?P?P 5??12VAP?FL?Kc?? 5.2 气体调节阀计算公式
(1) 计算阀压降比系数、绝热指数系数Fk
????log(P2?1?PVAP)?5?log(?P?1??PCrit) ???X1? (2) 计算声速的最小尺寸
dmin?0.0454?PKFk?P1 14.
WP2T1M (单位：英寸)
(3) 计算阀门的初始尺寸
CV? (4) 计算管道修正系数
W63.3X1P1?N
?0.5??K1?K2?KB1?KB2?C2?vFp???1?4??890d??式中K1 、K2 、KB1 、KB2 的取值如下:
KB1?d??1????D1?4
4KB2?d??1????D2?
2?d2?K1?0.5?1?2??D1?
?d2?K2??1?2??D2?
2
(5) 计算压差比系数
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?1XTP (6) 计算膨胀系数
2?XT?XT?K1?KB1?Cv?2??1?4FP?1000d???
Y?1? (7) 计算阀门最终的流通能力
X13FkXT
CV?式中 C0为CV的初值 (8) 计算阀门噪音 气体
C0 FPYSL1?10?log(28?Cv?FL?P1?P2?D2???T1)?SLG 3t 蒸汽
SL1?10?log(11000?Cv?FL?P1?P2?D2??(1?0.0007?TSH)6/t3)
(9) 计算阀出口的噪音
SL2?10?log(0.18?P2?d2?D2?MS?T1)?SLG
(10) 阀门噪音的确定 条件：
如果SL1-SL2≥ 7 ，则取 SL= SL1 如果SL1-SL2＜ 7 ，则取SL= SL1 + SL2 5.3 两相流阀门计算 (1) 计算缩流处的压力降
PVC?PVAP???PVAP?P1?0.96?0.28PC??22
(2) 计算临界压力降
PCRIT?FL2PVC
(3) 计算操作状态下气体、液体比容
vg?1?N
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vl? (4) 计算气体的体积和重量百分比
0.016033Gf
Vg?wgvgwgvg?wfvfwgwg?wf
fg? (5) 计算压力降相对于入口压力的比值
X1? (6) 计算气体膨胀系数
?PKFk?P1 14.
Y?1? (7) 计算混合物等效密度的倒数
ve?fgvgY2YX13FkXT
1?f???g63.3Gf
(8) 计算阀门的初始流通能力值
Cvw??f?wg?63.3veX1P1
?0.5(9) 计算管道修正系数
??K1?K2?KB1?KB2?C2?vFp???1?4??890d??式中 K1、K2、KB1、KB2的取值按下面的公式计算:
KB1?d??1???D??
?1?44
?d?KB2?1???D??
?2?2??d?K1?0.5*?1??D2?
1??2??d?K2??1?2? ??D2?22
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(10) 计算阀门的最终流通能力
CV?式中 C0为CV的初值
(11) 噪音使用上面液体的噪音计算公式
注： 调节阀计算标准
阀门尺寸计算公式依据：ANSI/ISA S75.01
C0 FP 阀门噪声估算公式依据：Masoneilan Noise Control Manual Masoneilan - Dresser
《ISA Handbook of Control Valves. J. W. Hutchison》
6 附件B INtools 调节阀计算公式
6.1 不可压缩流体的调节阀计算 (1) 计算Ff 液体的临界压力比系数
Ff?0.96?0.28?PV PCn?106??/?n
(2) 计算汽蚀指数 KC
KC? (3) 计算速度头系数
P1?P2
P1?PVK1?0.5?(1?d2/D1)2
2Kb1?1?(d/D1)4 K2?(1?d2/D2)2
2Kb2?1?(d/D2)4 Ki?K1?Kb1 ?K?K1?K2?Kb1?Kb2
(4) 计算CV 初值CV0
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CV0? (5) 计算空化系数
W27.3?(P1?P2)??n KCV?FL?(FL?(1.66667FL?2.428571)?1.869048)?0.3077143 (6) 计算管道修正系数
??K?CV02?Fp???1?4???0.00214?d??1/2
(7) 计算FLP系数
?Ki?FL2?CV02?FLp?FL???1?40.00214?d?????1/2
(8) 计算雷诺数ReD
?(FL?CV0)2?76000?FD?WReD???1??4n?RO?(FL?CV0)0.5?0.00214?d???0.25
(9) 计算允许压差DPA
?FLP?DPA???F???(P1?FFPV)
?P?2 (10) 计算雷诺数修正系数FR
当Re ? 56时,流体处于层流状态。 FR = 0.019 * Re0.67 当Re ＜ 40000时,流体处于过渡流状态。 a. 620 ? Re ＞ 56
Az= Re/56-1
FR??6.082774?10?5Az4?2.212891?10?3Az?3?2.844539?10?2Az2?0.1708764?Az?0.2925969 b. 2470? Re ＞ 620
Az= Re/620-1
FR??9.121?10?3Az2?6.684?10?2Az?0.7614
c. 10200? Re ＞ 2470
FR??9.184?10?3Az2?5.43?10?2Az?0.88
Az= Re/2470-1
d. 20000? Re ＞10200
FR =0.97
e. 30000? Re ＞20000
FR =0.98
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f. 40000? Re ＞30000
FR =0.99
当Re ＞ 40000时,流体处于湍流状态
FR =1.0
计算判据 (P1-P2) ＞ DPA 是否成立,当该条件成立时,根据P2 ＞ PV是否成立确定流体是否出现闪蒸或空化现象。
P2＞ PV 则出现空化现象,反之则出现闪蒸现象.按照下面ISA 或者 IEC 公式计算新的CV值。 ISA 计算公式
CV? IEC 计算公式
W27.3?FLP?(P1?FFPV)??n
CV?W27.3?FR?FLP?(P1?FFPV)??n
当(P1-P2) ＞ DPA 条件不成立时,对应于非阻塞流场合 根据ISA 标准： 当FR≠1时,
CV? 当FR =1时,
W27.3?FR?(P1?P2)??n
CV? 按照 IEC 计算公式
W27.3?FP?(P1?P2)??n
CV? 计算CV计算值的变化率
W27.3?FR?FP?(P1?P2)??n
?CV?CV0?CV
CV0取 CV0?CV
反复迭代直到ΔCV ≤ 0.001 初始气蚀条件为
P1- P2 ≤ DPA
KC ＞ KCV
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Dj?0.0046?Fd?CV?FL
?K?1?????K????P2????1?Mj????1?????a?P?K?1??2??????1/2
存在5种流体类型 类型1
P1?P2?P2C
?Pvc?Tvc?T1???P???1?Csvc?K?1????K?
0.5?8314?K?TVC????
M??1/2Uvc?K?1???????K???2K??Pvc??P1?????1????P????K?1n??1????????
W?Uvc Wm?2MN?Uvc Csvc2h = 0.0001MN3.6
2Wa?h?Wm?FL
fp =0.2* Uvc /Dj
对于类型 2~4 采用通用的计算公式
Tvcc?Csvcc2T1 K?10.5?8314?K?TVCC????
M??1/2Uvcc?K?1???????K????PP?2K??1?vcc????1????P????K?1n??1????????
Wms 对于类型 2
W?Uvcc?
22P2C?P2?PVCC
对于类型 3
对于类型 4
对于类型 5
计算 Lpi
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h?0.0001? M6.6F2Lj
Wh?W?P?P2?a?ms??1?P?1?PVCC? f2?Mj?CSVCCp?0.D
jPVCC?P2?P2b
h?0.0001? M6.6F2Lj
Wa?h?Wms
f0.2?Mj?CSVCCp?D
jP2b?P2?P2ce
6.6FL2h?0.0001?M22j?2
Wa?h?Wms
f.35?CSVCCp?01.25?D21/2
j(Mj?1)P2ce?P2?0
?K?11/2M???2????K????j?????K?1???22?1?
???6.6FL2h?0.0001?M2j?22
Wa?h?Wms
f35?CSVCCp?0.1.25?Dj(M22
j?1)1/Lpi?10?log(8?108?wall??n2?Cs2/D22)
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TLro?3?10?13?Cs22?D22?Pa?10?log??? 2(P?101325)(1?D/2)?(wall)??22??f0 = 5000 / (12.5664 * D2)
TLfr2?3?10?13?CS2?D22Pa??10?log??? 2101325(1?C??/415)?(wall)??S2n2??fr?5000/(3.1416?D2)
fa?fr?CS2/1372
下面三种情况可以用于计算 DTLfp
a. fp ＜ fa
DTLfp?20?log(fof)?13?log(o) fPfr b. f0 ≤ fp ≤ fr
DTLfp?13?log()
frfp c. fp ＞ fr
DTLfp?20?log()
fr 传输损失为：
fpTL?TLfr?DTLfp
计算 L8
?1?L8?16?log??
?1?M2? 计算管道外径处的声强级数
La0?5?Lpi?TL?L8
计算距离管道外径1m处的声强级数
La?La0?10?log
D2?2 D2
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