李武，郝嬌山,2

(1． 重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶400707；2. 重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司技術(shù)中心調(diào)節(jié)閥研究所，重慶400707)

高壓差精調(diào)型小流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

李武1，郝嬌山1,2

(1． 重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶400707；2. 重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司技術(shù)中心調(diào)節(jié)閥研究所，重慶400707)

針對(duì)高壓差小流量調(diào)節(jié)工況，結(jié)合柱塞閥與平衡籠式閥特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的精調(diào)型小流量調(diào)節(jié)閥，并借助CFD流體分析軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。為更好驗(yàn)證該閥門(mén)的適用性能，建立三維模型，并將某化工廠(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)工況參數(shù)作為邊界條件，對(duì)模型的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)果。根據(jù)結(jié)果顯示： 該閥門(mén)在高壓差工況下具有較好的降壓效果，可調(diào)行好，符合設(shè)計(jì)的預(yù)期目的。

高壓差 小流量 仿真模擬 流場(chǎng)

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥是流體運(yùn)輸過(guò)程中的重要控制元件，是確保各種工藝設(shè)備正常工作的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于電力、化工等領(lǐng)域。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，高壓差介質(zhì)工藝裝置越來(lái)越多，而該工況下運(yùn)行的閥門(mén)極易在節(jié)流處發(fā)生閃蒸和空化，導(dǎo)致閥內(nèi)件產(chǎn)生嚴(yán)重氣蝕[1]。

針對(duì)該類(lèi)問(wèn)題，閥門(mén)制造商進(jìn)行了長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一定的成果。如材料方面，可采用表面涂層硬質(zhì)合金的方法來(lái)延長(zhǎng)閥門(mén)使用壽命；在閥門(mén)結(jié)構(gòu)方面，采用迷宮式、多級(jí)菱形、多層套筒等特殊閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)，有效解決了用戶(hù)端在高壓差工況下閥門(mén)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的噪聲、氣蝕等問(wèn)題。

然而，針對(duì)高壓差小流量且要求精確調(diào)節(jié)的工況，常規(guī)的高壓差閥門(mén)卻不能很好地滿(mǎn)足要求，如減溫減壓裝置上的減溫水調(diào)節(jié)閥，減溫水量的調(diào)節(jié)精度直接影響二次出口蒸汽的溫度和壓力的變化，進(jìn)而對(duì)后段的生產(chǎn)工藝產(chǎn)生影響。因此，不論是該類(lèi)工況下閥門(mén)運(yùn)行性能的保證，還是用戶(hù)端生產(chǎn)工藝的可靠性保障，設(shè)計(jì)專(zhuān)用于高壓差工況下的小流量調(diào)節(jié)閥，意義都十分重大。

1 高壓差精調(diào)型小流量閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高壓差精調(diào)型小流量調(diào)節(jié)閥是一種在高壓差介質(zhì)工況下可同時(shí)滿(mǎn)足小流量精確調(diào)節(jié)和多級(jí)降壓的調(diào)節(jié)閥，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件的通用性和在線(xiàn)維修都較為方便，能適用于不同壓差、不同流量的工況。如閥體、上閥蓋、填料部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等零部件可與常規(guī)高壓閥通用；閥內(nèi)件與閥體間無(wú)螺紋連接，便于維修更換。其內(nèi)件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由閥芯、套筒部件、閥座、密封墊片等零部件組成。其中，套筒部件是由多層套筒集成的整體零件，并根據(jù)工況壓差設(shè)計(jì)合理的套筒層數(shù)，相鄰套筒之間采用分段式結(jié)構(gòu)，使介質(zhì)“各行其道”，保證每層套筒承擔(dān)均勻的壓降，并按流量特性設(shè)計(jì)每層套筒上節(jié)流孔的數(shù)量、大小、排列方式；閥芯采用整體式結(jié)構(gòu)，避開(kāi)螺紋連接出現(xiàn)的各種問(wèn)題，并且能保證較好的加工精度。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的精確調(diào)節(jié)，閥芯端部按工況所需流量特性設(shè)計(jì)成曲面形，密封面堆焊硬質(zhì)合金，從而提高閥芯的抗沖蝕能力。

圖1 閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)示意

2 降壓原理

該結(jié)構(gòu)是結(jié)合柱塞閥芯高可調(diào)比的特點(diǎn)以及多層套筒降壓消聲的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)上的“串聯(lián)”實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)上的“疊加”，是一種能適應(yīng)于高壓差工況的小流量調(diào)節(jié)閥。當(dāng)閥門(mén)逐漸打開(kāi)時(shí)，介質(zhì)流經(jīng)閥芯后發(fā)生第1次壓降；接著從已打開(kāi)的第1層套筒的節(jié)流孔噴射進(jìn)入中間緩沖區(qū)，流路在緩沖區(qū)內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)折，介質(zhì)間相互碰撞，大量消耗靜壓，發(fā)生第2次壓降；再經(jīng)過(guò)第2層套筒噴射進(jìn)入閥體內(nèi)腔，形成淹沒(méi)射流，射流速度在閥體內(nèi)腔急劇下降，并形成大量小尺度渦流，實(shí)現(xiàn)第3次壓降。在逐級(jí)降壓的同時(shí)，流速也得到了控制，不僅減小了湍流強(qiáng)度，還有效降低了噪聲、避免了振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。從閃蒸的角度考慮，介質(zhì)發(fā)生每級(jí)降壓后，壓力值均不低于飽和蒸汽壓，使得閃蒸發(fā)生點(diǎn)后移至閥體內(nèi)腔，從而有效地避免了介質(zhì)對(duì)閥內(nèi)件的氣蝕，延長(zhǎng)了閥門(mén)的使用壽命。

3 閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)模擬計(jì)算

3.1 模型建立

使用Siemens NX建立“閥芯+2層套筒”流體域三維模型。口徑為DN25，公稱(chēng)壓力為Class600，CV值為1，開(kāi)度為85%，并按GB/T 17213.9—2005《工業(yè)過(guò)程控制閥》 第2—3部分： 流通能力 實(shí)驗(yàn)程序[2]中物理實(shí)驗(yàn)的規(guī)范對(duì)閥體的進(jìn)、出口端進(jìn)行延伸處理。為提高計(jì)算效率，模型采用50%對(duì)稱(chēng)模型，如圖2所示。

圖2 閥門(mén)50%流體域模型示意

3.2 網(wǎng)格劃分

采用Fluent Mesh對(duì)流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置合理的網(wǎng)格尺寸，在保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)，還需保證合理的網(wǎng)格數(shù)量[3]。其中進(jìn)、出口端直管部分采用六面體網(wǎng)格，且直徑方向不少于25個(gè)網(wǎng)格；由于閥芯與閥座節(jié)流間隙流速和壓力梯度較大，因而需進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，且保證水平截面同方向不少于6個(gè)網(wǎng)格，通過(guò)模型剖分，可采用六面體網(wǎng)格劃分；其他區(qū)域可采用四面體網(wǎng)格劃分，需保證套筒上所有節(jié)流孔的直徑方向不少于5個(gè)網(wǎng)格。經(jīng)劃分，該模型共生成105萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。

3.3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)某電廠(chǎng)減溫減壓裝置中減溫水調(diào)節(jié)閥參數(shù)： 介質(zhì)為水，T=105℃，閥前壓力p1=5.5 MPa，閥后壓力p2=0.4 MPa。閥門(mén)進(jìn)、出口均設(shè)置壓力邊界條件；假定系統(tǒng)內(nèi)部為絕熱流動(dòng)，流體無(wú)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，所以不考慮能量方程；參考?jí)毫υO(shè)為0.1 MPa；選用Standardk-ε湍流模型；近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)地面函數(shù)；以連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和基于各向同性渦黏性理論的k-ε方程組成數(shù)值模擬的控制方程組，以數(shù)值分析方法將方程組離散至所有網(wǎng)格點(diǎn)上，進(jìn)而求解流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的離散數(shù)值解。為平衡計(jì)算精度和計(jì)算效率，壓力離散格式用Stand格式，其他方程離散格式采用二階迎風(fēng)[4-8]。

3.4 仿真結(jié)果

將管道軸線(xiàn)中心與閥門(mén)縱向中心線(xiàn)交點(diǎn)作為原點(diǎn)，并在Y=0平面設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A(4.3，0，-6.5)，B(6，0，10.5)，C(14，0，25)，D(24.5，0，27)進(jìn)行壓力值監(jiān)測(cè)，經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算并獲得計(jì)算結(jié)果。對(duì)稱(chēng)面壓力云圖如圖3所示，可以看出介質(zhì)在流經(jīng)閥芯及套筒部件后，壓力明顯降低，測(cè)得4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值分別是：A點(diǎn)5.35 MPa，B點(diǎn)4.19 MPa，C點(diǎn)2.37 MPa，D點(diǎn)0.67 MPa；對(duì)應(yīng)的壓差是： ΔpAB=1.62 MPa，ΔpBC=1.54 MPa，ΔpCD=1.55 MPa。由此可知，介質(zhì)壓力在閥內(nèi)逐級(jí)降低，且每一級(jí)降壓承擔(dān)了基本相同的壓差。圖4為對(duì)稱(chēng)面上壓力散點(diǎn)圖，該圖可更為直觀(guān)地看出： 介質(zhì)在進(jìn)、出口直管段壓力平穩(wěn)，而在閥內(nèi)件中間區(qū)域發(fā)生了3次壓降，且壓降梯度均勻。

圖3 對(duì)稱(chēng)面壓力云圖

圖4 對(duì)稱(chēng)面x方向壓力分布散點(diǎn)圖

介質(zhì)流速云圖如圖5所示，可以看出閥門(mén)進(jìn)、出口端流速較低，而介質(zhì)最大流速位于節(jié)流孔中

心，并且各孔流速均勻分布，當(dāng)高速射流進(jìn)入閥體內(nèi)腔后，形成“淹沒(méi)射流”，流速迅速降低。由此說(shuō)明，套筒為閥門(mén)內(nèi)部流阻最大的元件，幾乎承擔(dān)了閥門(mén)全部的壓降。另外，內(nèi)部流場(chǎng)出現(xiàn)較大渦流的區(qū)域主要是閥芯節(jié)流區(qū)域、套筒緩沖區(qū)域、閥體內(nèi)腔區(qū)域，介質(zhì)主要在以上3個(gè)區(qū)域內(nèi)生成了較強(qiáng)的湍流，消耗了大量的壓力能，使得壓力降低。

圖5 對(duì)稱(chēng)面介質(zhì)流速云圖

4 結(jié) 論

1) 提出了一種能適用于高壓差小流量工況的調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)方案，并分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和降壓原理。

2) 建立三維模型，并按某電廠(chǎng)實(shí)際工況作為實(shí)驗(yàn)邊界條件，采用CFD仿真分析軟件對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果顯示： 該結(jié)構(gòu)閥門(mén)在高壓差工況下具有較好的降壓效果，壓降分布均勻，流速得到了有效控制。

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Design and Simulation Experiment Verification of a High Pressure Differential and Small Flow Control Valve

Li Wu1, Hao Jiaoshan1,2

(1. Chongqing Chuanyi Control Valve Co. Ltd., Chongqing, 400707, China;2. Technology Center of Chongqing Chuanyi Automation Co. Ltd., Control Valve Research Institute, Chongqing, 400707, China)

s： Aiming at working condition of high pressure differential and small flow regulation, combining with advantages of single seated control valve and balance cage control valve, a new type fine adjustment small flow control valve is designed.Simulation research is conducted with the help of CFD fluid analysis software.To better verify the applicable performance of the valve, 3D model is established.The working condition of one scene of a chemical plant parameters is used as boundary conditions, numerical simulation is carried out in internal flow of the model, the internal flow field results is obtained.The results show the valve has better depressurization effect for high pressure differential. The regulation performance is good with complying with the intended design purpose.

high pressure differential; small flow; simulation; flow field

李武(1983—)，男，漢族，陜西西安人，現(xiàn)就職于重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，主要從事各種控制閥的技術(shù)咨詢(xún)工作，任助理工程師。

TH702

A

1007-7324(2017)04-0045-03

稿件收到日期： 2017-03-09，修改稿收到日期： 2017-06-18。