閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標(biāo)，流量系數(shù)值越大說明流體經(jīng)過閥門時的壓力損失越小。閥門的流阻系數(shù)可以衡量流體通過閥門后主要功率消耗。而閥門的流量系數(shù)、流阻系數(shù)取決于閥門的尺寸、形式、結(jié)構(gòu)，因此閥門流量流阻系數(shù)的試驗對閥門產(chǎn)品改進(jìn)、為流體工程系統(tǒng)降低功耗合理設(shè)計，能提供有效數(shù)據(jù)。
1 裝置主要技術(shù)參數(shù)與功能
根據(jù)建設(shè)方對試驗裝置的要求，本文設(shè)計的試驗裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：
①能提供回路zui高壓力：2.5MPa；②溫度：常溫（≤40℃）；③zui大流量：150m3/h；④閥門zui大口徑：100mm；⑤回路介質(zhì)：去離子水。
試驗裝置主要功能為：當(dāng)水流通過閥門達(dá)到穩(wěn)流時，測定各型閥門的流量系數(shù)與流阻系數(shù)，流量試驗和流阻試驗?zāi)軡M足JB/T5296－1991《通用閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗方法》的要求。
2 原理與組成
閥門流量系數(shù)表示流體流經(jīng)閥門產(chǎn)生單位壓力損失時流體的流量：
（1）
式中：C為流量系數(shù)；Q為體積流量（m3/h）；ρ為流體密度（kg/m3）；ΔP為閥門的壓力損失（kPa）。
閥門的流阻系數(shù)表示流體通過閥門后的壓力損失：
（2）
式中：K為閥門的流阻系數(shù)；ΔP為被測閥門的壓力損失（kPa）；ρ為流體密度（kg/m3）；u為流體在管道內(nèi)的平均流速（m/s）。
（3）
式中：Q為體積流量（m3/s）；A為管道通徑（m2）。
測量閥門穩(wěn)流時的流量、流阻系數(shù)，需通過測取被測閥門的壓力損失ΔP、管道內(nèi)的流量Q，進(jìn)而計算出閥門的流量流阻系數(shù)。
調(diào)節(jié)流量Q的變化，當(dāng)水流沒有脈動，而且達(dá)到穩(wěn)流狀態(tài)后記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)Q顯示達(dá)到設(shè)定流量分別記錄下這些流量對應(yīng)產(chǎn)生的壓力損失ΔP1（可通過三閥組和差壓測量裝置測量）。
若用直管代替閥門，水流通過直管會產(chǎn)生沿程壓力損失：
（4）
式中：ΔP2為用光滑的直管路替代被測閥門，沿程壓力損失（MPa）；λ為沿程壓力損失系數(shù)；l為直管段長度（m）；d為管道通徑（m）；ρ為流體密度（kg/m3）；u為流體在管道內(nèi)的平均流速（m/s）?？傻贸觯?br style="padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; font-size: 12px; " /> （5）
本文設(shè)計的試驗裝置由1個主回路系統(tǒng)和3個輔助系統(tǒng)（補(bǔ)水系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)）以及相應(yīng)的控制測量系統(tǒng)等組成，工藝流程圖如圖1所示。
圖1 工藝流程圖
3 主回路系統(tǒng)
1）功能
主回路系統(tǒng)為閉式循環(huán)回路，功能是為被測試閥門提供穩(wěn)定的流量。根據(jù)現(xiàn)場條件以及建設(shè)方需求，設(shè)計的流量范圍為（0～10）m3/h、（0～40）m3/h、（0～200）m3/h。
2）組成及特點
①根據(jù)試驗及現(xiàn)場環(huán)境要求，需要盡可能減少泄漏，zui大程度降低噪聲，故選用2臺型號為P4L100－65－250/37－2的屏蔽泵。1臺屏蔽泵可提供80m3/h的流量，出口壓力2.5MPa。當(dāng)使用流量（0～10）m3/h、（0～40）m3/h，只需啟動1臺屏蔽泵；當(dāng)使用流量為（80～200）m3/h，同時啟動2臺屏蔽泵。
②3條通徑分別為DN25，DN50，DN100的測試管段，每個測試管段由1臺流量計、1臺電動調(diào)節(jié)閥、被測試閥門、1臺壓差計、2臺隔離閥、相應(yīng)的管路組成。
DN25、DN50、DN100測試管段的流量范圍分別為：（0～10）m3/h、（0～40）m3/h、（0～200）m3/h。DN25測試管段可用于測量DN15、DN20、DN25閥門；DN50測試管段可用于測試DN32、DN40、DN50閥門；DN100測試管段可用于測試DN65、DN80、DN100閥門。
③1條通徑為DN100的旁通管段，用于調(diào)節(jié)閥門試驗段至額定壓力與流量。
④測量儀表（流量計、壓力表、壓差計、溫度計）。各測量儀表具有現(xiàn)場指示及控制臺集中顯示功能，能對現(xiàn)場工況實時監(jiān)控。
⑤排氣閥門及相應(yīng)管路、附件。
3）運行過程
運行前先將主回路系統(tǒng)注滿水，然后在控制室啟動1臺或2臺屏蔽泵，通過補(bǔ)水系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、旁通閥將閥門被試驗段壓力調(diào)至公稱壓力，流量調(diào)至所需流量值，然后進(jìn)行閥門流量流阻系數(shù)試驗。
4 輔助系統(tǒng)
4.1 補(bǔ)水系統(tǒng)
1）功能
補(bǔ)水系統(tǒng)的功能是接收造水系統(tǒng)產(chǎn)生的去離子水，為主回路系統(tǒng)充滿水，并為穩(wěn)壓系統(tǒng)充水至預(yù)定水位，補(bǔ)充主回路系統(tǒng)損失的流量。
2）組成及特點
①1臺補(bǔ)水存儲箱，用于接收造水系統(tǒng)產(chǎn)生的去離子水。根據(jù)管道布置長度以及穩(wěn)壓器容積，選擇0.5m3的補(bǔ)水存儲箱，能滿足試驗用水量。
②1臺補(bǔ)水泵，本系統(tǒng)選用LJ4－500/3.2－Ⅵ的計量泵，可以根據(jù)預(yù)先選定好的流量或時間間隔來補(bǔ)水。
③壓力表，具有現(xiàn)場指示及控制臺集中顯示功能，能對現(xiàn)場工況實時監(jiān)控。
④閥門及相應(yīng)的管路附件。
3）運行過程
在控制室內(nèi)或補(bǔ)水泵前啟動補(bǔ)水泵，為主回路系統(tǒng)及穩(wěn)壓系統(tǒng)補(bǔ)水，待主回路管道水滿（通過觀察管道上的排氣閥，若排氣閥有水溢出，表示系統(tǒng)已注滿水），穩(wěn)壓器達(dá)到預(yù)定水位后，停止補(bǔ)水泵。
4.2 穩(wěn)壓系統(tǒng)
1）功能
試驗過程中，特別是在通過三閥組測定閥門壓差過程中，系統(tǒng)會損失部分流量，系統(tǒng)壓力降低，穩(wěn)壓系統(tǒng)為主回路系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力。
2）組成及特點
①兩臺氮氣瓶，一用一備，系統(tǒng)設(shè)計壓力為2.5MPa，選用壓力為4.0MPa的氮氣瓶，根據(jù)閥門試驗公稱壓力需要，給穩(wěn)壓器氣相空間充至額定壓力。
②1臺穩(wěn)壓器，為節(jié)約氮氣量，穩(wěn)壓器氣液空間比例選為1：4，為確保試驗安全，穩(wěn)壓器上設(shè)置了1臺安全閥，超壓時自動泄壓。
③壓力表、液位計，儀表具有現(xiàn)場指示及控制臺集中顯示功能，穩(wěn)壓器液位到達(dá)設(shè)定水位時，具有自動報警功能。
④閥門及相應(yīng)的管路附件。
3）運行過程
主回路充滿水且穩(wěn)壓器的水位達(dá)到預(yù)定的水位后，打開氮氣瓶給穩(wěn)壓器加壓至額定的壓力。
4.3 冷卻水系統(tǒng)
1）功能
主回路系統(tǒng)工作時，由于泵的功率損失及水流管道摩擦，水的溫度會上升，冷卻水系統(tǒng)的功能就是將主回路水的溫度降下來。
2）組成及特點
①1臺冷卻水箱，接收自來水，為冷卻水系統(tǒng)提供熱交換介質(zhì)，根據(jù)冷卻水系統(tǒng)管道容積，考慮冷卻塔內(nèi)水的容積，以及換熱過程中的損失，冷卻水箱的容積取0.5m3。
②1臺冷卻水泵，用于冷卻水系統(tǒng)的循環(huán)，選用50DL12－12X4，流量：18m3/h，揚程48m。
③1臺冷卻塔，用于與主回路介質(zhì)熱交換后水流的散熱，選用BL－15冷卻塔，出入口為5℃溫差，流量為：18m3/h。
④1臺冷卻器，用于與主回路介質(zhì)進(jìn)行熱交換，為多管式水冷卻器，傳熱效率高，冷卻效果好。
⑤壓力表、溫度計，具有現(xiàn)場指示及控制臺集中顯示功能，能對現(xiàn)場工況實時監(jiān)控。
⑥相應(yīng)的管路及管路附件。
3）運行過程
啟動冷卻水泵、冷卻風(fēng)機(jī)，冷卻水流經(jīng)冷卻器，與主回路熱介質(zhì)進(jìn)行熱量交換，加熱后的冷卻水再經(jīng)過冷卻塔降溫，從而將主回路介質(zhì)溫度降下來。
5 控制測量系統(tǒng)
1）功能
整個試驗總站的電氣設(shè)備運行狀態(tài)顯示、回路參數(shù)的監(jiān)測、試驗參數(shù)的設(shè)定和控制等都是由它來完成的。該系統(tǒng)很大程度上決定了試驗總站參數(shù)測量的精度和控制操作的特性。
2）組成及特點
控制測量系統(tǒng)采用分布式控制方案，由以下2部分來完成測量和控制功能。
①集中控制臺，設(shè)在控制室，控制臺完成整個試驗總站的參數(shù)顯示監(jiān)控、電動控制閥的控制、試驗時的安全報警。控制臺主機(jī)監(jiān)控界面如圖2所示。
圖2 控制臺主機(jī)監(jiān)控界面
②現(xiàn)場信號采集柜，設(shè)在現(xiàn)場，完成現(xiàn)場所有信號的采集與傳輸。
集中控制臺內(nèi)的主控單元為德國SIEMENS公司S7－300PLC、信號采集柜的主控單元為德國SIEMENS公司S7－200PLC，組成了ProfibusDP總線，信號采集柜負(fù)責(zé)現(xiàn)場的各種信號的采集并處理相關(guān)電氣元件的動作，并把采集來的信號通過ProfibusDP總線傳輸?shù)郊锌刂婆_內(nèi)的主控單元S7－300PLC上，在經(jīng)過S7－300PLC處理zui后把數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)PC。
3）運行過程
在試驗前開始為了檢查聲光報警系統(tǒng)的好壞，可按下試鈴按鈕，此時面板上的閃光報警燈全部閃爍，蜂鳴器工作。
通過按下相對應(yīng)調(diào)節(jié)閥的“開”閥按鈕或“關(guān)”閥按鈕，則可控制相對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制其對應(yīng)管路內(nèi)的流量變化，其開度的變化在其對應(yīng)的數(shù)顯表中顯示。例如：調(diào)節(jié)閥控制：按下“開”按鈕，開閥指示燈亮，調(diào)節(jié)閥開度數(shù)顯表的開度指示朝大的方向變化；按下“關(guān)”按鈕，關(guān)閥指示燈亮，此時調(diào)節(jié)閥開度數(shù)顯表的開度指示朝小的方向變化。
聲光報警的使用以“穩(wěn)壓器水位高”為例，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器水位高時發(fā)出報警信號，此時“穩(wěn)壓器水位高”閃光報警燈閃爍，同時蜂鳴器工作；此時按下“消鈴”按鈕，“穩(wěn)壓器水位高”閃光報警燈停止閃爍并常亮，同時蜂鳴器停止工作；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)“穩(wěn)壓器水位高”報警解除時，此時“穩(wěn)壓器水位高”閃光報警燈自動熄滅。
6 試驗數(shù)據(jù)
試驗應(yīng)按JB/T5296－91的規(guī)定進(jìn)行，被測試的閥門在回路充水前即安裝在試驗管段上，隨同回路一起升壓，達(dá)到試驗要求的溫度和壓力后即可進(jìn)行閥門的各項試驗。
啟動主泵（當(dāng)需要的流量低于80m3/h啟動1臺主泵，否則同時啟動2臺主泵），主回路系統(tǒng)開始工作。在控制室中調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥可得到5個流量：測試閥門的zui小流量（Re＝4×104）、25％zui大流量、50％zui大流量、75％zui大流量和zui大流量，同時差壓計可測定對應(yīng)流量下閥門進(jìn)出口的壓差。以上試驗數(shù)據(jù)將自動儲存在計算機(jī)中，計算機(jī)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可得到被試驗閥門的流量系數(shù)C和流阻系數(shù)K。
本文對某閥門廠生產(chǎn)的DN25截止閥、DN50截止閥、DN100蝶型止回閥進(jìn)行了流量流阻系數(shù)試驗，并由計算機(jī)生成試驗報告，試驗報告中壓力損失△P的對數(shù)與流量Q的關(guān)系如圖3所示。
圖3 壓力損失△P的對數(shù)與流量Q的對數(shù)坐標(biāo)圖
從圖中可看出壓力損失△P的對數(shù)lg△P與流量Q的近似線性關(guān)系，并計算出閥門的流量系數(shù)與流阻系數(shù)。
7 結(jié)語
本文設(shè)計的閥門流量流阻系數(shù)試驗裝置，已應(yīng)用在某閥門廠試驗室中。該試驗裝置可對通徑在100mm以內(nèi)的各型閥門進(jìn)行流量流阻系數(shù)試驗，按照通用閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗方法，通過控制測量系統(tǒng)將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，得出試驗報告。報告中試驗數(shù)據(jù)對閥門產(chǎn)品設(shè)計改進(jìn)具有重要價值。
