管道工況中管道系統是由管道、泵站、檢測控制設備和其他輔助設備構成的復雜水力系統，其管理、運行與維護的技術性非常強。運行管理人員的訓練水平直接決定了管道輸油保障能力的高低。但由于經費和實際條件的限制，在訓練中很難實現管道系統的實際運行工況，僅能采用短管道加裝阻力管的形式。由于訓練工況與長距離管道的實際情況有較大差別，針對長距離管道突發工況處理的相關科目的訓練幾乎為空白，因此使訓練效果大打折扣。

將調節閥用于長距離管道工況的模擬，是對調節閥在工程應用中的拓展和創新。調節閥又稱氣動偏心旋轉閥，是過程控制系統中用動力操作去改變流體流量的裝置，它由執行機構和閥組成。執行機構起推動作用，而閥起調節流量的作用，執行機構將控制信號轉換成相應的動作來控制閥內截流件的位置，閥是調節閥的調節部分，它與介質直接接觸，在執行機構的推動下，改變閥芯與閥座之間的流通面積，從而達到調節流量的目的。

1 管道的水力特性

管道沿程水力摩阻一般采用達西—韋斯巴赫公式計算：

式中：h_f為沿程水力摩阻，m；λ為沿程摩阻因數；l為管道長度，m；d為管道內徑，m；v為液體的平均流速，m/s。

摩阻因數隨流態而不同，是雷諾數和管子相對粗糙度的函數。因為

且π和g為常數，所以式（1）可寫成：

式中：l為管道長度，m；d為管道內徑，m；q為流量，m³/s。

0.082 66是一個單位為s²/m的量。在應用式（2）時，必須使用上述規定的各量的單位。

等徑管道所需壓頭按式（3）計算：

式中：h為管道所需壓頭；Δz為輸送高度，即管道終點對起點的高差，終點低于起點時為負值；Δhz為終端所需壓頭。

在確定的輸送條件下，Δz和Δhz為確定值，當輸送流量一定時，管道越長，所需壓頭越大。設定兩根長度分別為l₁和l₂（l₁<l₂）的管道，在相同的流量下管道所需的壓頭分別為h₁和h₂，用管道特性曲線表征q和h的關系（圖1）。

圖1　管道特性曲線

在相同的流量q下，兩管道所需的壓頭值相差為Δh：

由短管道和長管道特性曲線分析比較可知，如果用長度為l₁的短管道來模擬長管道l₂，要實現相同的工況，則需要使用調節閥調節管道l₁的流量，使之達到流量q，此時調節閥進出口壓差需要達到Δh，即選用調節閥時應滿足的流量和壓差條件。如將該條件轉化為流量和開度的關系，則對調節閥的選擇和使用控制會更具有應用價值。

2 調節閥的工作流量特性

2.1 調節閥的流量特性

調節閥的流量方程式為：

式中：q為流體的體積流量，m³/s；A為調節閥連接管的橫截面積，m²；ξ為調節閥的阻力系數，與調節閥的結構形式、流體的性質和開度有關；p₁為調節閥閥前的壓力，Pa；p₂為調節閥閥后的壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m^-3。

調節閥的流量系數

又

由式（5）可得到：

用曲線表示調節閥進出口壓差與流量的關系（圖2）。

圖2　調節閥進出口壓差與流量的關系曲線

圖1和圖2將短管道模擬長管道流量與壓力的關系和調節閥進出口壓差與流量的關系對應起來，使短管道加調節閥模擬長距離管道工況成為可能。

2.2 調節閥與管道結合的工作流量特性

調節閥與管道串聯系統的總壓差Δp_s等于管道系統（除調節閥外的全部設備和管道）的壓差ΔpΣ與調節閥的壓差Δp_v之和：

從調節閥的流量方程可知，通過調節閥的流量q與流量系數Kv有關，而流量系數又隨閥門開度而變化。根據調節閥壓差的變化規律，最終可推算出相對流量與相對位移的關系式，即調節閥的工作流量特性。Qmax表示管道阻力等于零時調節閥全開流量，q100表示存在管道阻力時調節閥的全開流量，則有：

式中s為系統中閥的壓降比，也稱閥阻比，s值越大，調節閥上的壓差損失越大；s值越小，畸變越嚴重。為了保證調節質量，需選用具有恰當s值和流量特性的調節閥。以理想流量特性為等百分比特性的調節閥為例，可得不同s值時，調節閥的工作特性畸變情況（圖3）。

（a）　以qmax為參比值　　　　　（b）　以q100為參比值

圖3　串聯管道時調節閥的工作特性

3 長距離管道工況模擬原理與控制

由管道的水力特性和調節閥的特性分析得出，采用短管道加調節閥模擬長距離管道工況時，為了達到與長距離管道相同的流量，調節閥進出口壓差應對應達到Δh；在該流量下的流量比q/q₁₀₀對應閥門的開度1/L亦為定值。各量之間形成確定的對應關系。通過控制系統和執行機構定量改變調節閥的開度1/L，達到調節流量到給定值的目的，實現用短管道加調節閥對長距離管道工況的模擬。

在實際工程應用中，采用短管道加調節閥模擬長距離管道工況時，首先應根據實際條件選擇具有合適流量特性和閥阻比的調節閥。調節閥的控制過程為，根據所需模擬的長距離管道工況進行理論計算，得出流量qt和調節閥兩端壓差Δh；采集調節閥進出口壓力得到實際壓差Δh，比較Δh與Δh，判斷閥門應執行的動作；q_t對應流量比q/q₁₀₀，由調節閥的工作特性曲線得到對應的閥門開度1/L，控制機構和執行機構調節閥門開度到l/L，即得到模擬流量q；實時測量調節閥進出口壓力和管路的流量，將測量值反饋到控制機構并與理論值進行比較，從而判斷和控制閥門動作。

圖4　調節系統流程圖

調節系統（圖4）由變送器、調節器、調節閥和調節對象等構成。這是一個閉環系統，當進行管道工況模擬時，輸入參數的變化破壞了原來的平衡狀態。通過變送器的檢測（流量和壓力），調節器調節閥的動作，使被調參數（管路中的流量）達到指定值，即實現所需工況的模擬。

通過對管道水力特性和調節閥特性的分析研究，闡明了調節閥在長距離管道工況模擬中的應用原理，并提出了控制方案，拓展了調節閥在管道中的應用范圍。若將該原理用于管道運行與管理人員的訓練，不僅能夠用短管道實現長距離管道工況的模擬，提高管道系統實際運行工況的訓練水平，而且能顯著降低訓練成本，具有較高的實際應用價值，減少生產中操作上的錯誤，及時有效的解決問題，提高生產。