阀门流量特性综合测试系统的研制_王剑.pdf

流 体 机 械2023 年 2 月28 第 51 卷第 2 期 收稿日期：2021-09-13 修稿日期：2022-09-16基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFB2004003）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.02.004设计计算阀门流量特性综合测试系统的研制王 剑1，范宜霖1，雷 艳1，刘贵超2，张继伟1，黄 健1，彭 林1，陈凤官1（1.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031；2.渤海卡麦龙流体控制设备（天津）有限公司，天津 300280）摘 要：针对目前国内现有阀门流量测试装置测试范围小、功能单一、精度不高、自动化水平低，不能很好满足阀门技术高速发展需求的问题，研制了阀门流量特性综合测试系统，并对循环水源、动力系统、稳压装置、测试管路、流量校验系统、数据采集系统、自动控制系统等测试系统组成部件设计进行了详细介绍，该测试系统具有阀门的流量系数、流阻系数、固有流量特性、流量的校验以及阀门微小流量测试等综合检测功能。经应用表明，该系统测试能力大、测试精度高、自动化程度高，流量误差小于实际流量的2%，压差误差小于实际压差的2%。因此，该测试系统可满足目前阀门技术大型化、高参数、微小流量调节等测试技术的需要。关键词：阀门；流量特性；微小流量测试；综合测试系统中图分类号：TH138；TK134 文献标志码：A The development of synthetic test system for valve flow characteristicsWANGJian1，FANYilin1，LEIYan1，LIUGuichao2，ZHANGJiwei1，HUANGJian1，PENGLin1，CHENFengguan1（1.HefeiGeneralMachineryResearchInstituteCo，.Ltd.，Hefei 230031，China；2.BohaiCameronFlowControlEquipment（Tianjin）Co.，Ltd.，Tianjin 300280，China）Abstract：Inviewoftheproblemsthatthecurrentdomesticvalveflowtestdevicecannotwellmeettheneedsoftherapiddevelopmentofvalvetechnology，suchassmalltestrange，singlefunction，lowprecisionandlowautomationlevel，acomprehensivetestsystemforvalveflowcharacteristicswasdeveloped，andthedesignofcomponentsofthetestsystemsuchascirculatingwatersource，powersystem，pressurestabilizingdevice，testpipeline，flowcalibrationsystem，dataacquisitionsystemandautomaticcontrolsystemwasintroducedindetail.Thetestsystemhasthecomprehensivedetectionfunctionsofvalveflowcoefficient，flowresistancecoefficient，inherentflowcharacteristics，flowverificationandvalvemicroflowtest.Theactualapplicationshowsthatthesystemhaslargetestingcapacity，hightestingaccuracyandhighdegreeofautomation，andtheerrorofflowrateandpressuredifferenceislessthan2%.Therefore，thetestsystemcanmeettheneedsoflarge-scalevalvetechnology，highparameter，microflowregulationandothertesttechnologies.Key words：valve；flowcharacteristics；microflowtest；synthetictestsystem0 引言阀门是一种用于控制流体介质流动的关键设备，具有导流、截流、调节流量、防止倒流、或溢流卸压等功能，是管路系统中的阻力元件。阀门的流通能力、阻力系数和流量调节特性等与阀门的选型和结构密不可分。阀门的流通能力和流量特性通常是工业控制领域选用阀门时重点考量的参数，主要通过试验测量得到。通过研制高精度的阀门流量特性测试装置、研究阀门流量特性测试技术，可以复验阀门产品的设计参数，寻求改善阀门流通能力和降低阀门流阻损失的途径，为阀门产品改进设计和流体工程系统合理设计降低动力消耗提供可靠的科学数据，为用户合理选用阀门，为节能产品研发提供技术支持1-6。目前，阀门流量特性的研究和测试均已引起29了国内用户、设计院和阀门制造厂家的重视，国内现有流量测试装置测试范围小、功能单一、精度不高、自动化水平低，不能很好地满足阀门设计技术的高速发展需求。本文研制了一种阀门流量特性综合测试系统，采用了阀门流量测试系统按功能区分的模块化和按测试能力大小划分的系列化设计，特别是针对目前阀门技术大型化、高参数、微小流量调节等测试技术的需要，该系统具有测试能力大、测试精度高、测试软件功能强大和操作简便等特点，达到了目前国内最大流量（10000m3/h）和最小流量（Cv0.1）全覆盖的全系列阀门流量特性综合测试能力。1 测试系统设计及组成1.1 设计依据目前，国内设计阀门流量流阻测试系统主要依据国家标准 GB/T30832-2014 阀门流量系数和流阻系数试验方法 和GB/T17213.9-2005 工业过程控制阀第 2-3 部分：流通能力试验程序。本系统主要参照标准规定进行工艺流程的设计，并在该系统原理基础上增加了流量校验功能，使得该系统不但具有流量测试功能，同时还具备流量的对比校验功能，提高流量测试的准确度7-10。典型的阀门流量流阻试验装置如图 1，2 所示。图 1 直通式阀门试验原理Fig.1 Schematicdiagramofstraightvalves图 2 角式阀门或多端口阀门试验原理Fig.2 Schematicdiagramofangleormultiportvalvetest1.2 系统组成系统由机械循环、测控硬件、计算机测控软件三部分组成，满足流体控制的多功能测试11。系统平面布置如图 3 所示。图 3 阀门综合测试系统原理Fig.3 Schematicdiagramofvalvecomprehensivetestsystem机械循环主要由循环水源、动力系统、稳压装置、测试管路等组成。测控硬件由流量传感器、流量校验系统、压力传感器、压差传感器、温度传感器、数据采集器、通讯串口、计算机、变频控制柜等组成。计算机测控软件是以组态王为开发平台，针对阀门流量特性综合测试系统开发的用于阀门流量流阻及流量特性试验的软件。该软件可进行调节阀、减压阀、通用阀流量流阻试验、流量特性试验及流量校验功能。具有完整的试验操作、数据采集、曲线生成及报表生成等功能。2 技术方案阀门流量特性综合测试系统是一套阀门流量系数、流阻系数、流量特性和流量校验试验的计算机自动测试系统。阀门流量特性综合测试系统适用于水流通过阀门达到稳流时，测定通用阀门常王剑，等：阀门流量特性综合测试系统的研制30FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023压下的流量系数和流阻系数；调节阀常压下的流量系数、额定流量系数、固有流量特性；减压阀的调压试验、流量试验、流量特性试验、压力特性试验。2.1 动力源稳定性水流量装置通常采用水塔稳压法和容器稳压法来保障动力源的稳定性。水塔稳压法系统精度高、稳定性好但压力较低、流速变化范围受限制，占地面积大建设成本高；容器稳压法利用稳压容器上部分气体形成弹性气垫，吸收水泵输入稳压容器内流体低频脉动，经容器流入测试管内的流体达到稳流效果。容器稳压法装置简单，投资小，系统压力及流量变化范围大。根据国内外实践可知，不论水塔与容器稳压方法，对系统流量稳定性要求较高的流量测试有关参数的测定都能获得良好的效果。不仅仪表的测定标定，阀门流量特性的测定均越来越普遍采用容器稳压。2.2 流速均匀性工艺管路连接部位如阀门、管件、弯头等及流体改向等易诱发流程局部阻力，使流场产生涡流、脉动和共振，产生造成流场不稳的现象。增加直管、流场调整器长度，直管加校直器能减少流场不稳的现象，同时合理设置整流器可消除局部阻力件产生的涡流。表1比较了形成均匀流速的技术，表 2 对比了几种常用的整流器类型。表 1 形成均匀流速方式对比Tab.1 Comparisonofuniformvelocitymode不规则要素流场调整器直管直管加校直器漩涡流影响能消除有一定衰减效果，但不充分很大部分能消除流速不均匀影响能获得比较稳定的流速有效果，不能得到均匀流速有效果，不能得到均匀流速涡流造成流速的混乱能消除有效果，但不充分能消除造成脉动和共振有一定效果无效果无效果必要管道长度7D20D 10D注：D 为管路直径。表 2 整流器对比Tab.2 Comparisonofrectifiers名称特点整流效果 压力损失 m正格子板结构简单差整流格子式结构复杂加工困难 比正板好20D管束式结构简单较好20D流场调整器多孔与管束结合式较好压损大非均匀多孔板 结构简单加工容易好压损小为减少系统压力损失，一般选用非均匀多孔整流器，其附加压力损失大致与ASME管式整流器相当。其特点是整流效果好，结构简单，加工容易，安装、维修极为方便，选用非均匀多孔整流器在流量计前后共需加 L=15D 直管，流量系数偏差为零。2.3 取压孔的设计被测阀门前后取压孔直接影响着测量数据的准确性。取压孔应位于水平位置，以避免空气和灰尘聚积；其中心线应与管道中心线垂直相交、孔的边缘不应凸出管内壁，且锐利和无毛刺。每个取压截面应有 1 个、2 个对称或 4 个对称布置的取压孔；公称尺寸大于 DN300 的管道及测量精度高于 1%的所有管道，应在每个取压截面有 4 个对称布置的取压孔。取压孔与压力测量设备之间的连接管的内径应至少为取压孔直径的 2 倍。取压孔的直径按表 3 的规定。表 3 取压孔直径Tab.3 Pressuretapholediameter公称尺寸 DN取压孔直径范围/mm50353 主要设备仪表选型（1）稳压系统。需根据测试系统的最大测试能力计算稳压系统的过流时间来确定稳压容器的容积大小。在测试管路上设计分水、集水器。在供水总管和分水器上安装自动排气阀，以保证测试流体不含气体，减小可能的测量误差。同时结合变频泵减小由于电网波动引起泵输出的低频脉动。（2）水 泵。按 测 试 管 内 雷 诺 数 应 满 足Re=31046105的要求选取最小流量范围。为减少测试动力消耗，按小流量用小泵，大流量用大泵，同时又保证不同流量易于调节的原则，应根据泵的最佳效率工作性能选择不同大小的泵进行匹配，同时加以变频启动和控制。（3）系统阀门。根据流量测试的要求，系统阀门除保证系统流量稳定性外，同时还应方便流量控制调节和测试管路的选择。在每个主测试管31路前后分别选用相应规格的电动球阀，以方便测试管路的切换选择。为方便流量控制和调节，计算选取了多个不同流量系数参数的调节阀组合使用。水泵供水总管设置旁通调节阀门。水泵进出口管路以及试验管路还需设置必要的开关阀门和保护性阀门。阀门公称压力等级按相应测试管路要求选择。（4）测试仪表。测量仪表主要包括电磁流量计、压力变送器、差压变送器、温度传感器等。各测量仪表精度均满足标准规定的测试精度要求。其中电磁流