阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数值越大说明流体经过阀门时的压力损失越小。阀门的流阻系数可以衡量流体通过阀门后主要功率消耗。而阀门的流量系数、流阻系数取决于阀门的尺寸、形式、结构，因此阀门流量流阻系数的试验对阀门产品改进、为流体工程系统降低功耗合理设计，能提供有效数据。

        1 装置主要技术参数与功能
        根据建设方对试验装置的要求，本文设计的试验装置主要技术参数如下：
        ①能提供回路zui高压力：2.5MPa；②温度：常温（≤40℃）；③zui大流量：150m3/h；④阀门zui大口径：100mm；⑤回路介质：去离子水。
        试验装置主要功能为：当水流通过阀门达到稳流时，测定各型阀门的流量系数与流阻系数，流量试验和流阻试验能满足JB/T5296－1991《通用阀门流量系数和流阻系数的试验方法》的要求。
        2 原理与组成
        阀门流量系数表示流体流经阀门产生单位压力损失时流体的流量：
        （1）
        式中：C为流量系数；Q为体积流量（m3/h）；ρ为流体密度（kg/m3）；ΔP为阀门的压力损失（kPa）。
        阀门的流阻系数表示流体通过阀门后的压力损失：
           （2）
        式中：K为阀门的流阻系数；ΔP为被测阀门的压力损失（kPa）；ρ为流体密度（kg/m3）；u为流体在管道内的平均流速（m/s）。
        （3）
        式中：Q为体积流量（m3/s）；A为管道通径（m2）。
        测量阀门稳流时的流量、流阻系数，需通过测取被测阀门的压力损失ΔP、管道内的流量Q，进而计算出阀门的流量流阻系数。
        调节流量Q的变化，当水流没有脉动，而且达到稳流状态后记录数据。当Q显示达到设定流量分别记录下这些流量对应产生的压力损失ΔP1（可通过三阀组和差压测量装置测量）。 
        若用直管代替阀门，水流通过直管会产生沿程压力损失：
        （4）
        式中：ΔP2为用光滑的直管路替代被测阀门，沿程压力损失（MPa）；λ为沿程压力损失系数；l为直管段长度（m）；d为管道通径（m）；ρ为流体密度（kg/m3）；u为流体在管道内的平均流速（m/s）。可得出：
        （5）
        本文设计的试验装置由1个主回路系统和3个辅助系统（补水系统、稳压系统、冷却水系统）以及相应的控制测量系统等组成，工艺流程图如图1所示。

        图1 工艺流程图  

   
        3 主回路系统
        1）功能
        主回路系统为闭式循环回路，功能是为被测试阀门提供稳定的流量。根据现场条件以及建设方需求，设计的流量范围为（0～10）m3/h、（0～40）m3/h、（0～200）m3/h。     
        2）组成及特点
        ①根据试验及现场环境要求，需要尽可能减少泄漏，zui大程度降低噪声，故选用2台型号为P4L100－65－250/37－2的屏蔽泵。1台屏蔽泵可提供80m3/h的流量，出口压力2.5MPa。当使用流量（0～10）m3/h、（0～40）m3/h，只需启动1台屏蔽泵；当使用流量为（80～200）m3/h，同时启动2台屏蔽泵。     
        ②3条通径分别为DN25，DN50，DN100的测试管段，每个测试管段由1台流量计、1台电动调节阀、被测试阀门、1台压差计、2台隔离阀、相应的管路组成。
        DN25、DN50、DN100测试管段的流量范围分别为：（0～10）m3/h、（0～40）m3/h、（0～200）m3/h。DN25测试管段可用于测量DN15、DN20、DN25阀门；DN50测试管段可用于测试DN32、DN40、DN50阀门；DN100测试管段可用于测试DN65、DN80、DN100阀门。
        ③1条通径为DN100的旁通管段，用于调节阀门试验段至额定压力与流量。
        ④测量仪表（流量计、压力表、压差计、温度计）。各测量仪表具有现场指示及控制台集中显示功能，能对现场工况实时监控。
        ⑤排气阀门及相应管路、附件。
        3）运行过程
        运行前先将主回路系统注满水，然后在控制室启动1台或2台屏蔽泵，通过补水系统、稳压系统、旁通阀将阀门被试验段压力调至公称压力，流量调至所需流量值，然后进行阀门流量流阻系数试验。
        4 辅助系统
        4.1 补水系统
        1）功能
        补水系统的功能是接收造水系统产生的去离子水，为主回路系统充满水，并为稳压系统充水至预定水位，补充主回路系统损失的流量。
        2）组成及特点
        ①1台补水存储箱，用于接收造水系统产生的去离子水。根据管道布置长度以及稳压器容积，选择0.5m3的补水存储箱，能满足试验用水量。
        ②1台补水泵，本系统选用LJ4－500/3.2－Ⅵ的计量泵，可以根据预先选定好的流量或时间间隔来补水。
        ③压力表，具有现场指示及控制台集中显示功能，能对现场工况实时监控。
        ④阀门及相应的管路附件。
        3）运行过程
        在控制室内或补水泵前启动补水泵，为主回路系统及稳压系统补水，待主回路管道水满（通过观察管道上的排气阀，若排气阀有水溢出，表示系统已注满水），稳压器达到预定水位后，停止补水泵。
        4.2 稳压系统
        1）功能
        试验过程中，特别是在通过三阀组测定阀门压差过程中，系统会损失部分流量，系统压力降低，稳压系统为主回路系统提供稳定的压力。
        2）组成及特点
        ①两台氮气瓶，一用一备，系统设计压力为2.5MPa，选用压力为4.0MPa的氮气瓶，根据阀门试验公称压力需要，给稳压器气相空间充至额定压力。
        ②1台稳压器，为节约氮气量，稳压器气液空间比例选为1：4，为确保试验安全，稳压器上设置了1台安全阀，超压时自动泄压。
        ③压力表、液位计，仪表具有现场指示及控制台集中显示功能，稳压器液位到达设定水位时，具有自动报警功能。
        ④阀门及相应的管路附件。
        3）运行过程
        主回路充满水且稳压器的水位达到预定的水位后，打开氮气瓶给稳压器加压至额定的压力。
        4.3 冷却水系统
        1）功能
        主回路系统工作时，由于泵的功率损失及水流管道摩擦，水的温度会上升，冷却水系统的功能就是将主回路水的温度降下来。
        2）组成及特点
        ①1台冷却水箱，接收自来水，为冷却水系统提供热交换介质，根据冷却水系统管道容积，考虑冷却塔内水的容积，以及换热过程中的损失，冷却水箱的容积取0.5m3。
        ②1台冷却水泵，用于冷却水系统的循环，选用50DL12－12X4，流量：18m3/h，扬程48m。
        ③1台冷却塔，用于与主回路介质热交换后水流的散热，选用BL－15冷却塔，出入口为5℃温差，流量为：18m3/h。
        ④1台冷却器，用于与主回路介质进行热交换，为多管式水冷却器，传热效率高，冷却效果好。
        ⑤压力表、温度计，具有现场指示及控制台集中显示功能，能对现场工况实时监控。
        ⑥相应的管路及管路附件。
        3）运行过程
        启动冷却水泵、冷却风机，冷却水流经冷却器，与主回路热介质进行热量交换，加热后的冷却水再经过冷却塔降温，从而将主回路介质温度降下来。
        5 控制测量系统
        1）功能
        整个试验总站的电气设备运行状态显示、回路参数的监测、试验参数的设定和控制等都是由它来完成的。该系统很大程度上决定了试验总站参数测量的精度和控制操作的特性。
        2）组成及特点
        控制测量系统采用分布式控制方案，由以下2部分来完成测量和控制功能。
        ①集中控制台，设在控制室，控制台完成整个试验总站的参数显示监控、电动控制阀的控制、试验时的安全报警。控制台主机监控界面如图2所示。

        图2 控制台主机监控界面

        ②现场信号采集柜，设在现场，完成现场所有信号的采集与传输。
        集中控制台内的主控单元为德国SIEMENS公司S7－300PLC、信号采集柜的主控单元为德国SIEMENS公司S7－200PLC，组成了ProfibusDP总线，信号采集柜负责现场的各种信号的采集并处理相关电气元件的动作，并把采集来的信号通过ProfibusDP总线传输到集中控制台内的主控单元S7－300PLC上，在经过S7－300PLC处理zui后把数据传输至上位机PC。
        3）运行过程
        在试验前开始为了检查声光报警系统的好坏，可按下试铃按钮，此时面板上的闪光报警灯全部闪烁，蜂鸣器工作。
        通过按下相对应调节阀的“开”阀按钮或“关”阀按钮，则可控制相对应的调节阀的开度，从而控制其对应管路内的流量变化，其开度的变化在其对应的数显表中显示。例如：调节阀控制：按下“开”按钮，开阀指示灯亮，调节阀开度数显表的开度指示朝大的方向变化；按下“关”按钮，关阀指示灯亮，此时调节阀开度数显表的开度指示朝小的方向变化。
        声光报警的使用以“稳压器水位高”为例，当系统发现稳压器水位高时发出报警信号，此时“稳压器水位高”闪光报警灯闪烁，同时蜂鸣器工作；此时按下“消铃”按钮，“稳压器水位高”闪光报警灯停止闪烁并常亮，同时蜂鸣器停止工作；当系统发现“稳压器水位高”报警解除时，此时“稳压器水位高”闪光报警灯自动熄灭。
        6 试验数据
        试验应按JB/T5296－91的规定进行，被测试的阀门在回路充水前即安装在试验管段上，随同回路一起升压，达到试验要求的温度和压力后即可进行阀门的各项试验。
        启动主泵（当需要的流量低于80m3/h启动1台主泵，否则同时启动2台主泵），主回路系统开始工作。在控制室中调节电动调节阀可得到5个流量：测试阀门的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，同时差压计可测定对应流量下阀门进出口的压差。以上试验数据将自动储存在计算机中，计算机对试验数据进行处理就可得到被试验阀门的流量系数C和流阻系数K。
        本文对某阀门厂生产的DN25截止阀、DN50截止阀、DN100蝶型止回阀进行了流量流阻系数试验，并由计算机生成试验报告，试验报告中压力损失△P的对数与流量Q的关系如图3所示。    

        图3 压力损失△P的对数与流量Q的对数坐标图 

    
        从图中可看出压力损失△P的对数lg△P与流量Q的近似线性关系，并计算出阀门的流量系数与流阻系数。
        7 结语
        本文设计的阀门流量流阻系数试验装置，已应用在某阀门厂试验室中。该试验装置可对通径在100mm以内的各型阀门进行流量流阻系数试验，按照通用阀门流量系数和流阻系数的试验方法，通过控制测量系统将测得的数据进行分析计算，得出试验报告。报告中试验数据对阀门产品设计改进具有重要价值。