Как подобрать размер регулирующего клапана: Cv, Kv, варианты расхода и ход клапана

Распространенная ошибка при выборе регулирующего клапана начинается с простого предположения: трубопровод имеет диаметр DN100, поэтому в проекте выбран регулирующий клапан DN100.

Клапан пропускает необходимый максимальный расход, но при нормальной работе остается близко к седлу. Небольшие движения штока приводят к большим изменениям расхода, позиционер постоянно корректирует положение клапана, и переменная процесса начинает циклически вращаться вокруг заданного значения.

Клапан не обязательно неисправен. Он может просто иметь большую пропускную способность, чем может использовать процесс при нормальной работе.

Правильный выбор размера начинается с условий процесса, а не с диаметра трубопровода. Эта статья объясняет как подобрать размер регулирующего клапана используя Cv или Kv, случаи минимального, нормального и максимального расхода, соответствующие условия давления и прогнозируемый ход клапана.

Начните с таблицы размеров регулирующего клапана

Прежде чем выбирать модель клапана, подготовьте одну таблицу размеров, в которой будут указаны все рабочие условия, которые должен контролировать клапан.

Не указывайте один максимальный расход вместе с несвязанными с ним расчетными давлениями. Каждый вариант потока должен иметь свое соответствующее давление на входе, давление на выходе и температуру.

Сценарии запуска, остановки, байпаса, очистки, регенерации или аварийной эксплуатации следует добавлять отдельно, если они требуют различных условий расхода или давления.

Требуются жидкие данные

• Название жидкости и химический состав
• Минимальный, нормальный и максимальный расход
• Давление на входе и выходе для каждого варианта расхода
• Рабочая температура для каждого случая потока
• Плотность или удельный вес
• Давление пара при рабочей температуре
• Критическое давление, требуемое выбранным методом определения размеров
• Вязкость для вязких жидкостей
• Содержание твердых частиц, размер частиц и абразивные характеристики

Требуются данные по газу и пару

• Состав газа или состояние пара
• Минимальный, нормальный и максимальный массовый или объемный расход
• Абсолютное давление на входе и выходе для каждого случая
• Температура на входе
• Молекулярный вес или удельный вес газа
• Коэффициент сжимаемости
• Соотношение удельных теплоемкостей, где это необходимо
• Качество пара или степень перегрева

Что на самом деле означают Cv и Kv

Cv и Kv — коэффициенты пропускной способности. Они представляют пропускную способность конкретного клапана и трима при определенном открытии и определенных исходных условиях.

Они не идентифицируют напрямую:

• Номинальный размер трубопровода
• Класс давления клапана
• Сила привода
• Класс герметичности седла
• Пригодность клапана к кавитации или промывке

Основное уравнение метрического скрининга жидкости

Для турбулентной, незасоренной, водоподобной жидкости без значительной коррекции трубопровода предварительная метрическая оценка может быть выражена как:

Kv = Q × √(SG / ΔP)

• КВ: метрический коэффициент расхода
• Вопрос: расход жидкости в м³/ч
• СГ: удельный вес жидкости по отношению к воде
• ΔП: падение давления на клапане в барах

Основное уравнение скрининга жидкости в США

Используя традиционные единицы измерения США, соответствующее предварительное уравнение имеет вид:

Cv = Q × √(SG / ΔP)

• Резюме: Коэффициент расхода США
• Вопрос: расход жидкости в галлонах США в минуту
• СГ: удельный вес жидкости по отношению к воде
• ΔП: падение давления на клапане в фунтах на квадратный дюйм

Уравнение выглядит одинаково, но единицы измерения разные. Cv и Kv нельзя заменять без преобразования.

Для практического преобразования:

• Cv ≈ 1,156 × Kv
• Kv ≈ 0,865 × Cv

Почему для точного определения размера требуется нечто большее, чем простое уравнение

При выборе размера установленного регулирующего клапана может потребоваться учитывать:

• Восстановление давления жидкости и дросселирование потока
• Кавитация или мигание
• Расширение и сжимаемость газа
• Критический коэффициент давления
• Коэффициенты восстановления давления для конкретного клапана
• Переходники, расширители и другая навесная арматура
• Нетурбулентный поток или поток с низким числом Рейнольдса
• Высокая вязкость
• Многоступенчатая обрезка
• Скорость на выходе и аэродинамический шум

Поэтому производитель должен использовать фактические коэффициенты выбранного корпуса клапана и трима, а не общий коэффициент, взятый из несвязанного продукта.

Почему минимальный, нормальный и максимальный расход необходимо определять отдельно

Требуемые Cv или Kv изменяются при изменении расхода или падения давления. Случай максимального расхода не обеспечивает автоматически максимальный требуемый коэффициент.

Например, процесс может потребовать максимального расхода, когда доступный перепад давления на клапане относительно невелик. Это может обеспечить самый высокий требуемый Cv.

При минимальном расходе давление на входе может оставаться высоким, в то время как спрос на выходе падает. В этом случае клапан имеет больший перепад давления, но должен регулировать гораздо меньший поток, не работая слишком близко к седлу.

Вариант минимального расхода

В минимальном случае проверяется, может ли клапан регулировать минимально необходимый расход стабильным и повторяемым движением.

Важные вопросы включают в себя:

• Будет ли клапан работать очень близко к седлу?
• Требуемый расход ниже контролируемого диапазона выбранного трима?
• Будет ли трение седла и уплотнения доминировать при небольших изменениях положения?
• Требуется ли уменьшенный дифферент, характерный дифферент или устройство с разделенным диапазоном?

Случай нормального расхода

Нормальный случай заслуживает наибольшего внимания, поскольку он показывает, где клапан может провести большую часть своего срока службы.

Клапан должен обеспечивать полезный ход и предсказуемый установленный коэффициент усиления в этом состоянии, а не постоянно работать вблизи закрытого или полностью открытого положения.

Вариант максимального расхода

В максимальном случае проверяется, имеет ли клапан достаточную пропускную способность, сохраняя при этом разумный допуск на отклонения в процессе и неопределенность размеров.

Клапан не должен автоматически увеличиваться просто для создания очень большой резервной мощности. Чрезмерная резервная мощность может снизить управляемость при нормальной нагрузке.

Размер трубопровода не определяет размер регулирующего клапана

Диаметр трубопровода выбирается с учетом скорости системы, потери давления, потребности в потоке, механической конструкции и экономических соображений.

Размер регулирующего клапана выбирается из:

• Требуется Cv или Kv
• Доступное падение давления
• Прогнозируемые рабочие поездки
• Корпус клапана и объем обрезки
• Скорость на входе и выходе
• Риск кавитации, мигания и шума
• Механическое соединение и расположение трубопроводов

Поэтому регулирующий клапан может быть меньше, чем подключенный к нему трубопровод. Соответствующие переходники и расширители можно использовать, если результирующая скорость, шум, восстановление давления и нагрузки на трубопроводы остаются приемлемыми.

Влияние присоединенных переходников и расширителей должно быть включено в установленные размеры, если это применимо.

Когда регулирующий клапан линейного размера может оказаться слишком большим

Клапан линейного размера, вероятно, будет иметь завышенный размер, если:

• Регулирующий клапан воспринимает лишь небольшую часть общего падения давления в системе.
• Корпус клапана имеет высокий номинальный коэффициент Cv относительно технологических требований.
• Выбранный поворотный клапан имеет гораздо большую производительность, чем проходной клапан того же номинального размера.
• Обычно процесс протекает намного ниже проектного расхода.
• Будущий резерв мощности неоднократно добавлялся в различных дисциплинах проекта.

Требуемый Cv — это не то же самое, что ход клапана

После расчета требуемого Cv или Kv для каждого рабочего случая следующим шагом является сравнение этих значений с кривой зависимости производительности от хода выбранного клапана.

Клапан с номинальным Cv 100 не обязательно обеспечивает Cv 50 при ходе 50%.

Отношения зависят от:

• Собственная характеристика потока
• Обрезать геометрию
• Тип корпуса клапана
• Выбранная уменьшенная или полноразмерная комплектация
• Потери давления в системе
• Перепад давления, доступный на клапане при каждом расходе

Линейная характеристика

Линейный трим обеспечивает примерно равные приращения коэффициента расхода для равных приращений хода клапана при постоянном перепаде давления на клапане.

Это не гарантирует, что установленный технологический поток будет линейным в зависимости от хода, поскольку перепад давления на клапане часто меняется при изменении расхода в системе.

Равнопроцентная характеристика

Равнопроцентная подстройка дает примерно одинаковое процентное изменение коэффициента расхода тока для равных приращений хода в определенных условиях испытаний.

Его часто рассматривают в тех случаях, когда процесс требует широкого диапазона расхода или когда доля клапана в общем перепаде давления в системе существенно меняется.

Выбранная характеристика дифферента может изменить прогнозируемый ход и реакцию установленного процесса. Читать Равнопроцентный и линейный регулирующий клапан перед подтверждением окончательной кривой подстройки.

Установленная характеристика и установленный коэффициент усиления

Установленная характеристика описывает фактическую взаимосвязь между ходом клапана и технологическим расходом после подключения клапана к системе трубопроводов.

Установленный коэффициент усиления описывает, насколько изменяется расход при данном изменении хода клапана. Чрезмерно высокий или низкий коэффициент усиления может затруднить настройку и стабильность контура управления.

Клапаны увеличенного, правильного размера и клапаны меньшего размера

Если установленный клапан постоянно совершает цикл вокруг рабочей точки, выбор размера может быть только одной из возможных причин. Используйте наш Руководство по поиску и устранению неисправностей регулирующего клапана для сравнения команд контроллера, фактического хода, застревания, подачи воздуха, реакции позиционера и поведения технологического контура перед заменой клапана.

Пример калибровки рабочей жидкости

Следующий упрощенный пример показывает, почему необходимо проверить три рабочих случая. Он не заменяет окончательную калибровку IEC или ISA.

Данные процесса

• Жидкость: водоподобная технологическая жидкость
• Удельный вес: 0,98
• Единицы расхода: м³/ч
• Единицы падения давления: бар
• Предварительное уравнение: Kv = Q × √(SG / ΔP)

Что показывают предварительные результаты

Для случая максимального расхода требуется самый высокий предварительный Kv, поскольку в этом случае доступный перепад давления является самым низким.

Предположим, что потенциальный трим имеет номинальное значение Kv, равное 90. Предварительно необходимые коэффициенты приблизительно представляют собой:

• 10,7% номинального Kv при минимальном расходе
• 39,1% номинального Kv при нормальном расходе
• 79,2% от номинального Kv при максимальном расходе

Эти проценты а не проценты хода клапана. Фактический ход должен быть получен на основе кривой производительности выбранного трима и расчета установленных размеров.

Инженер по расчету теперь должен определить:

• Обеспечивает ли выбранная характеристика стабильный ход с минимальным расходом?
• Попадает ли нормальный расход в полезную рабочую область
• Можно ли достичь максимального потока без неприемлемой скорости или риска серьезного обслуживания
• Подходит ли номинальное значение Kv, равное 90, или уменьшенный дифферент, предпочтительнее другая характеристика или другой размер корпуса.

Дополнительные ликвидные чеки

Перед окончательным выбором в расчет необходимо включить:

• Давление пара и критическое давление жидкости
• Коэффициент восстановления давления клапана
• Падение давления в дросселируемом потоке
• Оценка кавитации или мигания
• Коррекция редуктора и расширителя
• Скорость на входе и выходе
• Поправка на вязкость и число Рейнольдса, где это применимо.

При обнаружении кавитации, всплесков или резкого снижения давления необходимо провести проверку. варианты отделки регулирующего клапана для снижения кавитации и шума.

Определение параметров пара и газа требует расчета сжимаемого потока.

Простое уравнение жидкости не следует использовать для определения размеров газа или пара.

Расчеты сжимаемого потока должны учитывать изменения плотности по мере расширения жидкости через клапан. Для расчета также могут потребоваться коэффициенты, специфичные для клапана, для коэффициента давления, расширения, дросселированного потока и присоединенных фитингов.

Пример набора данных по определению параметров пара

Этот набор данных позволяет инженеру по калибровке рассчитать требуемый коэффициент и прогнозируемый ход для каждого случая, а также просмотреть:

• Будет ли сжимаемый поток заглушен
• Скорость на выходе клапана
• Аэродинамический шум
• Обрезать скорость на выходе
• Пределы температуры кузова и отделки салона
• Требуемая тяга привода
• Размер выходной трубы и расположение переходника

Клапан с достаточным номинальным Cv все равно может оказаться непригодным, если скорость на выходе, шум или энергия регулировки чрезмерны.

Для соответствующих продуктов ознакомьтесь с Паровой регулирующий клапан. Для котлов также может потребоваться выделенный Регулирующий клапан питательной воды котла или Регулирующий клапан распылительной воды.

При выборе размера необходимо определить суровые условия эксплуатации.

Расчет размера должен делать больше, чем просто возвращать один требуемый Cv. Он должен определить, будет ли выбранный клапан подвергаться разрушительному или ограничивающему воздействию жидкости.

Жидкий дросселированный поток

Поток жидкости забивается, когда увеличение разницы давлений больше не приводит к ожидаемому увеличению расхода. Это может быть связано с образованием пара внутри клапана.

Привод большего размера не может исправить засоренный поток, поскольку ограничивающее условие является гидродинамическим, а не механическим.

Кавитация

Кавитация возникает, когда пузырьки пара образуются на сужении клапана и схлопываются после восстановления давления.

Потенциальные результаты включают в себя:

• Отделка и питтинг кузова
• Шум и вибрация
• Повреждение сиденья
• Потеря пропускной способности
• Повреждение нижнего трубопровода

Мигает

Мигание происходит, когда жидкость испаряется через клапан и остается частично испаренной после клапана.

Поскольку пар не сразу же превращается обратно в жидкость, конструкция должна учитывать двухфазную скорость, направление выхода и эрозию, а не рассматривать вспышку как обычную кавитацию.

Газо-паровой дросселируемый поток

Сжимаемый поток может засориться, когда степень сжатия достигнет предельного состояния для выбранного клапана и трима.

После этого момента дальнейшее снижение давления на выходе не приводит к пропорциональному увеличению производительности, ожидаемому из недроссельного уравнения.

Шум и скорость

Клапан может удовлетворять требованию Cv, но при этом производить неприемлемое:

• Аэродинамический шум
• Гидродинамический шум
• Выходное число Маха
• Вибрация стенки трубы
• Обрезать вибрацию
• Скорость эрозии

Приложения с высоким давлением следует рассматривать с использованием соответствующего Регулирующий клапан высокого давления конфигурацию корпуса и трима, а не только увеличение класса давления стандартного клапана.

Уменьшенный трим, полноразмерный трим или другой корпус клапана?

Если размер трубопроводного соединения фиксирован, но требуемое Cv относительно невелико, уменьшение трима может улучшить управляемость без изменения размера соединения корпуса клапана.

Уменьшенная обрезка может быть полезна, когда

• Размер трубопровода требуется по механическим причинам или по причинам будущей системы.
• Нормальный поток требует гораздо меньшего Cv, чем обеспечивает полноразмерный трим.
• Корпус клапана меньшего размера может создать чрезмерные проблемы со скоростью редуктора или выпускного отверстия.
• Будущая мощность может быть увеличена за счет изменения отделки салона, а не замены кузова.

Меньший корпус клапана может быть лучше, когда

• Клапан линейного размера остается сильно завышенным даже при уменьшенном триме.
• Меньший корпус обеспечивает лучшую геометрию трима и соответствие привода.
• Редукторы и установленная скорость остаются приемлемыми.
• Вес, пространство и стоимость могут быть уменьшены без увеличения риска серьезного обслуживания.

Другой тип клапана может потребоваться, когда

• Шаровой клапан не может пропускать твердые частицы без засорения.
• Поворотный клапан обеспечивает более подходящую производительность и путь потока.
• Угловой клапан лучше направляет мигающий или эрозионный выходной поток.
• Для резкого снижения давления требуется многоступенчатый триммер.
• Большой размер трубопровода делает компактный поворотный клапан более практичным.

Обзор основных Руководство по выбору регулирующего клапана когда результаты определения размера указывают на необходимость пересмотра конструкции кузова, отделки салона или концепции привода.

Размер привода не зависит от размера Cv

Cv определяет пропускную способность. Привод должен обеспечивать силу или крутящий момент, необходимые для перемещения выбранного клапана и достижения заданного закрытия в условиях технологического процесса.

При выборе размера привода следует учитывать:

• Технологическая сила, действующая на заглушку, диск или поворотный запорный элемент
• Дисбаланс давления клапана
• Нагрузка на седло, необходимая для указанного класса утечки
• Набивка и направляющее трение
• Ход клапана или поворотный ход
• Минимальный доступный воздух, гидравлическое давление или электропитание
• Требование к отказоустойчивому открытию, отказоустойчивому закрытию или отказоустойчивости
• Требуемое время поглаживания

Привод с большей тягой не увеличивает максимальное значение Cv выбранного трима клапана.

Для полного обзора привода используйте Руководство по выбору привода клапана.

Перед покупкой требуется выходной сигнал для определения размера регулирующего клапана

Результат профессионального определения размера должен превышать выбранный номинальный размер клапана.

Не одобряйте клапан только на основе номинального Cv, указанного в каталоге. Убедитесь, что отчет о размерах точно соответствует предлагаемому корпусу, комплектации, характеристикам и приводу.

Лист данных по размерам регулирующего клапана для запроса цен

Вместе с запросом предоставьте следующую информацию:

Если некоторые свойства жидкости недоступны, укажите название среды, состав, давление и температуру, чтобы можно было определить недостающие данные перед предложением.

Сопутствующие ресурсы по регулирующим клапанам

• Руководство по выбору регулирующего клапана
• Продукция промышленных регулирующих клапанов
• Регулирующий клапан высокого давления
• Паровой регулирующий клапан
• Регулирующий клапан питательной воды котла
• Регулирующий клапан распылительной воды
• Варианты трима регулирующего клапана для снижения кавитации и шума
• Руководство по выбору привода клапана
• Руководство по номинальным давлениям и температурам клапана

Техническая основа

• МЭК 60534-2-1 — Уравнения расчета пропускной способности установленных регулирующих клапанов.
• ANSI/ISA-75.01.01 — Уравнения расчета пропускной способности регулирующего клапана
• Emerson — Процедура определения размера регулирующего клапана
• ISA — Использование расчета усиления установленного регулирующего клапана