基于MATLAB GUI对燃气调压阀数值计算方法

袁庆洪，刘可，张燕

（1.西南油气田分公司 集输工程技术研究所，成都610042；2.西南油气田分公司 天然气研究院，成都610213）

0 引 言

调压阀属于工业过程控制范围内的一种调节阀。对于调压阀的选型，若流通能力过大，会造成浪费，并由于调压阀在小开度情况下工作，易于振荡，调节性能变差；若流通能力过小，则不能满足流量要求[1]。调压阀的选型通常有两种方法：数值计算法和流量表选型法（试验数据法）。调压阀的数值计算，因流体形态不同而计算方法不同[2]。通过选择调压阀类型、内部元件结构形式、流向等不同参数，然后进行相应计算，最终得到调压阀的额定Cv值（C100），然后根据额定Cv值去选择厂家对应的阀门通径及阀座直径的调压阀。

1 调压阀的主要计算公式和参数

调压阀的主要计算公式和参数如表1所示，限于篇幅，公式符号的含义，可参见文献[3]。

2 调压阀选型的数值计算编程

2.1 数值计算程序逻辑框图（如图1）

2.2 程序界面和参数选择

2.2.1 GUI界面

利用MATLAB GUI可视化编程，将程序界面大体分为5个区域：标题栏、基本参数输入栏、计算参数栏、阀型数据选择栏、计算结果和图像输出栏。程序界面如图2所示。

表1 调压阀的主要计算公式和参数

2.2.2 调压阀主要特性参数和阀口开度

1）FL、xT和Fp。

FL为压力恢复系数，是一个固定常数。它与阀的结构、流路形式有关，而与阀口径大小无关[5]；临界xT为差压比，取决于阀的结构，即流路形式；Fp为管件形状修正系数，与管道直径D和调压阀公称直径Dg的比值有关。以单座柱塞型调压阀为例，其上述3个参数列表如表2所示。

图1 调压阀的数值计算程序逻辑框图

2）阀口开度。

阀口开度关系到调压的稳定。开口过小，容易在调压阀节流口产生涡旋、气蚀、振动，甚至啸叫[6-7]。所以，应根据不同的阀芯特性对阀口开度进行校验，使流量的变动范围对应的阀口开度满足要求。

3 额定流量系数的函数图像

图2 燃气调压阀的选型计算软件界面

表2 单座阀的FL、xT和Fp

额定流量系数C100是调压阀全开时的流量系数，代表调压阀的流通能力。口径越大，流量系数越大。阀的类型不同，阻力系数不同，流量系数不同。因此，根据额定流量系数选择调压阀口径时，要特别注意调压阀的类型[5]。

为便于用函数图像将额定流量系数表达出来，本文对影响流量系数的部分参数做了一定的假定：1）在一定压力范围内，燃气绝热系数k和压缩系数Z均为常量。故此，对于特定结构的调压阀，流量系数可简化成一个二元函数；2）调节阀后压力恒定。

3.1 阻塞流函数图像

以单座、柱塞、流开型调节阀为例，绘制阻塞流的C图像。其中，P1=0.1～0.4 MPa，P2=0.003 MPa，阻塞流函数编程如图3所示。得出图像如图4所示。

图3 阻塞流函数编程

3.2 非阻塞流函数图像

同样以单座、柱塞、流开型调节阀为例，绘制非阻塞流的C图像。其中，P1=0.4～0.8 MPa，P2=0.35 MPa，非阻塞流函数编程如图5所示。得出图像如图6所示。

将Qg恒定，如1000 m3/h，可分别得到C和P1的函数关系图，如图7和图8所示。

4 调压阀两种选型法的几组对比数据

针对国内某燃气调压 阀 厂 家RTZ 某型号DN40、DN50、DN65、DN80、DN100、DN150对应的流量数据表和数值计算对应的调压阀通径选型作以比对。限于篇幅，本文只列出DN150流量表和数值计算法得出的调压阀通径对比，如表3所示。

图4 阻塞流的流量系数C-Qg-P1图像

图5 非阻塞流函数编程

图6 非阻塞流的流量系数C-Qg-P1图像

图7 阻塞流的流量系数C-1000-P1曲线

图8 非阻塞流的流量系数C-1000-P1曲线

表3 查表选型法和数值计算法数据对照表

5 结论和探讨

5.1 结论

1）对于气体阻塞流或非阻塞流，若出口压力恒定，随着入口压力的增大，流量系数均呈下降趋势，流量越大，流量系数减小越快。

2）若理论可调比R=30，则最大流量和正常流量比不宜大于1.8，否则流量放大倍数m和最大流量系数Cmax会成为复数，将失去物理意义。

3）除调压阀结构特性之外，其他参数相同的调压阀，阀门开度为：快开＜直线＜抛物线＜等百分比。

5.2 探讨

按正常流量计算出的调压阀口径，计算流量对应调压阀口径和试验流量对应调压阀口径可能会相差1～2个规格等级，且流量越大误差越大。造成这种误差原因可由额定流量系数C100计算误差、天然气压缩比z和绝热系数k的取值误差展开误差分析和探讨。