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煤化工专用黑水阀阀座流通性能研究

作者: 2015年03月30日 来源:全球调节阀网 浏览量:
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摘 要:介绍了一种煤化工专用黑水阀的结构构成,并提出进行该型号阀门流通性能研究的重要性。阀门压损最大,流量系数最小;随着渐扩角的逐渐增大,压损先减后增,而流

摘 要:介绍了一种煤化工专用黑水阀的结构构成,并提出进行该型号阀门流通性能研究的重要性。建立流道三维模型,应用CFD有限元分析软件,模拟黑水阀内部流场分布情况,分析可视化结果,确定阀座/阀芯易损位置。分别对不同阀座渐扩角时模型进行仿真模拟,得到阀门进、出口压力值,并依此计算Cv值大小,拟合流量系数曲线,提出阀门在实现最大介质流通时阀座渐扩角范围,为阀门设计提供重要的理论参考。

关键字:黑水阀 阀座 渐扩角 流阻 Cv值


0 引言

随着社会的不断进步,人们对能源的需求也日益提升,因此也促进了煤化工行业的大力发展。其中,黑水阀作为原料加压输送、气化炉进料反应等工艺过程中的关键控制设备,起着调节介质压力和流量大小的作用,但由于其特殊的介质控制(煤渣水)使得阀门故障的发生成为常态化。经过长时间对阀门运行工况的研究,研发人员找到了能延长黑水阀使用寿命的方法,即:提高阀内件材料硬度(如,阀芯/阀座采用烧结WC材料等)。这一举措,大大改变了黑水阀在煤化工行业中易损的现状,也为企业节省了费用。但对于黑水阀的介质流通性能,目前主要通过流量实验方法进行测定,由于其结构设计有别于普通的单座角型阀,因此也不能将其他型号的阀门参数完全套用。

众所周知,流量系数是进行阀门选型与设计的重要指标,主要反映阀门的流通能力。但由于黑水阀规格较多,流量试验需耗费大量人力,并且长时间占用实验设备,故而,阀门设计人员多采用理论计算或预估的方法确定,这也在一定程度上影响了该项指标的准确性。依据常规经验,阀门的流通能力与其流阻成反比,而单座阀的阻力损失主要来自于阀座,其大小约占总阻力损失的85%以上。因此,进行黑水阀流通性能的确定关键在于研究其阀座的流通性能。

近年来,随着计算机辅助应用、程序软件的迅速发展,研发人员开始采用CFD仿真模拟的方法进行阀门理论研究。经验证明,该方法能较为准确的模拟阀门内部介质流动情况,并得到可视化结果,给新产品研发带来极大便利。因此,通过CFD模拟方法进行黑水阀阀座流通性研究,是一条的重要可行性途径。

1 阀门结构及设计原理

如图1所示,是由本公司自主研发的黑水阀结构示意图,该阀主要由:1.连接法兰;2.阀座;3.阀芯部件;4.阀体;5.上阀盖;6.填料部件等零部件组成。高压黑水介质从左端流入,连接法兰底部流出。执行机构控制阀芯上下动作,从而改变阀芯和阀座间隙,调节介质流量大小。其中,阀芯头可根据现场工艺需要设计成具有对数或线性流量特性的曲面,从而实现流量的精确调节。为提高阀门流通能力,采用文丘里加速原理将阀座流道加工成一定角度的锥面,并由连接法兰通过螺栓固定在阀体内台阶上,拆卸方便。另外,连接法兰的出口端直径可根据现场工艺管道布置确定,实现管道变径,其内部流道也设计成锥面,进一步提高介质的流通性。

图1 黑水阀结构示意图

2 阀门内部流场的数值模拟

2.1 阀门内部流场的数值模拟

黑水阀是一种典型的角型调节阀,阀门进出口存在位置落差,因此势能转化为动能,其大小值主要决定于阀门纵向法兰距尺寸。另外,介质在流动过程中,介质间内摩擦、介质与管道壁面摩擦、以及流体诱发振动等必将产生一定的能量损耗。因此,为了突出阀座的结构尺寸对整个阀门流通性的影响,在进行数值模拟时作以下假设:

(1)假定阀门内介质不受重力作用,即忽略位置势能损耗。

(2)忽略部分沿程能量损失,如振动等。

(3)阀体内介质选用水,忽略固体杂质对流场的影响。

采用Solidworks三维建模软件,进行调节阀内部流道三维建模,并按国家标准《GB/T17213.9-2005关于阀门流通能力测试》中相关规定确定测压间距。

为了保证计算精度,采用以结构性和非结构性网格相结合的划分方法生成网格。流道两端的直管段网格采用Hex(六面体)网格进行划分,中间阀体通道因为结构不规整,因此采用Tet/Hybrid(四面体/混合)网格进行划分,并且为了计算结果更加精确,对节流间隙位置的网格进行了加密处理。由于计算模型具有对称性,故取二分之一模型进行计算,以减少网格数目、节省计算时间。以连续性方程、三维雷诺平均N–S方程和基于各向同性涡粘性理论的k–ε双方程组成黑水阀内部流动数值模拟的控制方程组;采用有限体积法对控制方程组进行离散;流体压力-速度耦合基于SIMPLE算法;入口采用Velocity边界,出口采用Pressure边界;在湍流指定方法中,选择以设定湍流强度和水力直径;对流项差分格式采用二阶迎风,迭代收敛精度为质量源绝对值之和小于1.0×10-4

本次模拟采用进口为DN50,出口为DN80的黑水阀模型,设置进口流速5m/s,出口压力为0.1Mpa,介质为常温水。

2.2 数值模拟结果与分析

通过数值模拟计算,计算结果如下:

(1)压力场

图2 渐扩角为9°时Z=0截面压力分布云图(Pa)

(2)速度场

图3 渐扩角为9°时Z=0截面速度分布云图(m/s)

由图2可以看出,介质在阀座与阀芯形成的环形间隙位置产生阀内最低压力,且该处流速达到最大(如图3所示)。因此,含有煤渣的高速介质流经时将在该位置发生最初的冲蚀。并且一旦该处的介质压力低于介质的饱和蒸汽压,则会发生闪蒸现象,将对零件造成更为严重的破坏。另外,从图中也可以看出,介质的压力和流速变化梯度在节流间隙较为突出,而随着介质向下流动,变化梯度逐渐趋于缓和。

(3)速度矢量分析

图4 渐扩角为9°时Z=0截面局部速度矢量图(m/s)

由图4可以看出,介质流经节流间隙后在阀座渐扩流道内迅速扩张,形成扩管效应(介质流向改变,流速逐渐降低)。另外,由于流道形状的作用,使得整个介质主流路呈现“Y”型流动,并且流动方向一致,未出现回流现象。

2.3 不同阀座渐扩角时阀门压力变化情况

分别建立阀座渐扩角为0°、3°、6°......27°时三维模型,经网格划分,数值模拟,得到计算结果。

如图5所示,是阀座渐扩角为27°时Z=0截面局部速度矢量图,从图上可以看出,介质在阀座主流路两侧形成了强烈回旋流,干扰流体的正常运动,“占用”主流路空间,并在边界位置产生撞击、分离脱流等现象,带来了附加阻力,从而增加了能量损失。

图5 渐扩角为27°时Z=0截面局部速度矢量图(m/s)

不同阀座渐扩角时,阀门进口和出口截面压力值分别如表1、表2所示:

表1 不同阀座渐扩角时阀门进口截面压力值表

单位:Pa

表2 不同阀座渐扩角时阀门出口截面压力值表

单位:Pa

分析表1和表2中数值模拟数据,得到以下结论:

(1)不同阀座渐扩角时,阀门进口动压、出口总压/静压/动压值基本保持不变。

(2)进口和出口的各项压力均满足关系式:总压=静压+动压,即符合伯努利方程:

式中:Z1、Z2为进口、出口位置水头;为进口、出口压强水头(静压); 为进口、出口流速水头(动压);hL为沿程损失。(注:按照黑水阀流场模拟边界假定条件,忽略位置水头和沿程损失项。)

以上结论的得到,主要决定于边界条件的设定,即:速度进口和压力出口(静压)。由表1数据可知,随着渐扩角的增大,进口静压发生变化。当阀座渐扩角为0°时(即直管型阀座),阀门进口静压最大,为222623Pa;逐渐增大至9°时,静压降至最小,为197120Pa;当继续增加渐扩角时,静压又逐渐增大。这表明,随着阀座渐扩角的增大,文丘里效应逐渐凸显,流阻降低;当角度增加到一定值时,开始出现突扩管效应,流阻又逐渐增加。

2.4 不同阀座渐扩角时阀门Cv值曲线拟合

依据表1、表2中的数据,并按《GB/T4213-2008气动调节阀》中关于阀门流量系数的计算公式,计算出不同阀座渐扩角时阀门Cv值,结果如表3所示。

表3 不同阀座渐扩角时阀门Cv值表


进行不同阀座渐扩角时阀门Cv值曲线拟合,如图6所示:

图6 不同阀座渐扩角时阀门Cv值曲线

从图6可以看出,阀座渐扩角为0°时(即直管型阀座),阀门Cv值最小,为34.9;当渐扩角逐渐增大至9°时,Cv值达到最大值,为41.4;继续增加阀座渐扩角,Cv值则逐渐下降。并且,阀座渐扩角在0°-9°范围时,Cv值的增加梯度较为明显;而在9°-27°时,Cv值的减小梯度却相对缓慢。另外,根据流速计算公式:(其中ξ为流阻系数,ρ为介质密度,v为介质流速;L、D阀门结构尺寸),若保证阀门压降为定值,当流阻减小时,其流速增量仅为开方的差值。

通过以上分析可知,当阀门流量确定时,阀门所需压降越小,说明其流通能力越好;而减小阀座流阻,则是提高阀门流通能力的有效办法。

3 结论

(1)使用CFD有限元分析软件进行黑水阀内部流场模拟,实现阀门的可视化研究,提高产品研发效率,为企业节省费用。

(2)根据流场分析结果,阀内最小压力与最大流速集中在阀座与阀芯节流间隙,该位置极易造成煤渣介质的冲刷与腐蚀。因此,可采用阀芯/阀座表面喷焊硬质合金层或整体烧结WC的方法来提高零件耐冲蚀性。

(3)当阀座为直通型流道(无渐扩角)时,阀门压损最大,流量系数最小;随着渐扩角的逐渐增大,压损先减后增,而流量系数则先增后减。根据数值模拟结果,推荐阀座渐扩角为8°-10°。

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