煤氣化核心調節閥的數值模擬與結構優(yōu)化

　　該文以航天煤化工系統中的某型號籠式調節閥為研究對象，應用CFD數值模擬方法研究了調節閥的內流場(chǎng)特性。通過(guò)模擬給定壓差下閥門(mén)不同開(kāi)度的流量特性，得到調節閥的流量特性曲線(xiàn)，并與試驗測定的數據進(jìn)行比較分析，模擬值與試驗值吻合較好。根據流場(chǎng)特性對流道做了優(yōu)化并對新結構做了數值模擬，結果表明，優(yōu)化后的流道流阻減小、渦流強度減弱、進(jìn)而減少了能量損失。

引言

　　調節閥又稱(chēng)為控制閥，是過(guò)程控制系統中用動(dòng)力操作去改變流體流量的裝置，隨著(zhù)自動(dòng)化程度的不斷提高，調節閥已廣泛地應用于冶金、電力、化工、石油等領(lǐng)域。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)工藝過(guò)程的控制是否平穩，超調量、衰減比，擾動(dòng)是否在規定的范圍內，除了工藝設計合理、設備先進(jìn)外，重要的一點(diǎn)就是調節閥能否按照主體控制意識準確動(dòng)作，從而精確地改變物料或能量。如果調節閥的流量特性差、滲漏大、動(dòng)作不可靠，就會(huì )使自動(dòng)控制過(guò)程的質(zhì)量變差，甚至失去調節作用，從而增加了勞動(dòng)強度，給生產(chǎn)帶來(lái)重大的經(jīng)濟損失。而航天煤化工系統中的主氧路氧氣調節閥，系統對其調節的穩定性，可靠性及靈敏度有著(zhù)更高的要求。因此，調節閥性能的提高對流程工藝效益的提高以及能源消耗的降低有著(zhù)重要作用。近年來(lái)，隨著(zhù)計算流體動(dòng)力學(xué)(簡(jiǎn)稱(chēng)CFD)軟件的發(fā)展，通過(guò)CFD數值模擬來(lái)研究調節閥的流量特性并用來(lái)優(yōu)化設計方案在閥門(mén)行業(yè)已開(kāi)始應用。CFD技術(shù)在閥門(mén)設計中的應用使得閥門(mén)的結構設計更趨于合理，更有助于我國閥門(mén)行業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，加快縮小與國外差距的步伐。

1、調節閥的結構及流道模型的建立

　　文中以航天煤化工系統中的主氧路氧氣調節閥為研究對象，其為籠式單座調節閥。該模型簡(jiǎn)化后的內部結構如圖1所示，公稱(chēng)通徑為80mm，總長(cháng)為337mm。流體的流動(dòng)方向為右進(jìn)左出，通過(guò)調節閥芯的行程，來(lái)改變閥籠的流通面積，從而實(shí)現調節流量的目的。利用三維建模軟件Solidworks，根據流道的幾何尺寸以及閥芯與閥座的裝配關(guān)系，對不同開(kāi)度下的流體流道分別進(jìn)行三維建模，為使流體流動(dòng)更充分，閥前后流道均延長(cháng)1000mm。圖2所示為該調節閥流體流道的三維模型。

圖1 調節閥內部結構圖

圖2 調節閥流道三維模型圖

2、數學(xué)模型

　　2.1、控制方程

　　研究過(guò)程中合理假定調節閥內流體介質(zhì)為不可壓縮的黏性流體。無(wú)熱能交換，不可壓縮黏性流體控制方程由質(zhì)量守恒方程(連續性方程)和動(dòng)量守恒方程(N-S方程)組成，分別為：

　　質(zhì)量守恒方程：

(1)

　　其中，u，v，w 分別是三個(gè)方向的速度矢量。

　　動(dòng)量守恒方程(N-S 方程) ：

(2)

(3)

(4)

　　其中，p，ρ，μ分別是壓力、密度、動(dòng)力黏度。

　　2.2、標準k-ε模型

　　研究過(guò)程中湍流模型設定為工程中廣泛使用的標準k-ε模型。

　　在標準k-ε模型中，紊流動(dòng)能k方程和耗散ε方程分別為：(5) (6) 在上述方程中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;Gb是用于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;YM為可壓速湍流脈動(dòng)膨脹對總的耗散率的影響;湍流粘性系數 ;C1ε，C2ε為常數。

3、數值模擬

　　將三維幾何模型導入GAMBIT進(jìn)行計算前的處理工作。確定了計算域之后，用GAMBIT對其進(jìn)行非結構化網(wǎng)格劃分，流道網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，劃分后網(wǎng)格數為100萬(wàn)左右。其中，調節閥開(kāi)度為90%的流道網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 調節閥開(kāi)度90%時(shí)的流道網(wǎng)格劃分示意圖

　　選取該調節閥從10%～90% 到全開(kāi)十個(gè)開(kāi)度進(jìn)行數值模擬。

　　將GAMBIT導出的網(wǎng)格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程及模型(選用k-ε標準湍流模型)，設置流體為水，設置進(jìn)出口的邊界條件分別為：入口壓力p1=100kPa，出口壓力p2=0kPa。進(jìn)行流場(chǎng)初始化，設定控制參數及定義迭代次數后就可以進(jìn)行求解。

4、結果分析

　　4.1、不同開(kāi)度下流量特性模擬數據與液流試驗臺試驗數據對比分析

　　流量特性是指介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對流量與相對開(kāi)度的關(guān)系。調節閥的流量特性是調節閥最重要的指標之一，在閥前后壓差不變時(shí)得到的是理想流量特性。流量系數為Kv，定義為：

(7)

　　式中：Q為流量，m3/h;Δp為閥前后壓差，kPa;ρ/ρ0為相對密度(規定范圍內的水ρ/ρ0 =1)。

　　取閥前后壓差為100kPa，由流量系數定義式可以推算出該壓差下Kv=Q。將模擬所得的流量系數與通過(guò)液流試驗臺實(shí)際測量值進(jìn)行對比(表1)，并將兩組數據進(jìn)行擬合如圖4所示。從圖4可以看出，數值模擬曲線(xiàn)和實(shí)際測量值曲線(xiàn)基本吻合，趨勢基本一致。通過(guò)比較，可以看出通過(guò)模擬所得的該調節閥的流量特性是可靠的，為調節閥的流道優(yōu)化提供了依據。

表1 調節閥不同開(kāi)度下流量模擬值與實(shí)測值數據表

　　據此，在產(chǎn)品方案的設計初期，可以運用數值模擬進(jìn)行設計方案預選，進(jìn)行調節閥從關(guān)閉到全開(kāi)啟范圍的三維真實(shí)工作參數和介質(zhì)的模擬，提供全面完整的流場(chǎng)信息，為改善閥門(mén)穩定性提供參考。后期待產(chǎn)品設計完成再輔以少量試驗來(lái)校核確定方案，從而避免帶有盲目性的大量試驗。

圖4 調節閥流量特性模擬值與實(shí)測值對比曲線(xiàn)

　　運用CFD數值模擬方法進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)設計，比以往設計過(guò)程(參見(jiàn)圖5所示流程圖) 更自由、更靈活，而且可以節約大量的人力和資金，大大提高研發(fā)設計效率。運用數值模擬方法還能對試驗難以量測的量進(jìn)行較為精確的估計，提供試驗無(wú)法獲得的數據，并能模擬較復雜或較理想的工況，拓寬試驗研究的范圍。

圖5 調節閥傳統設計過(guò)程流程圖

　　4.2、不同開(kāi)度下流場(chǎng)分析

　　由于該調節閥的固有流量特性為等百分比，主要工作區間為開(kāi)度10%～90%，本文選取40%和90%兩個(gè)典型開(kāi)度進(jìn)行重點(diǎn)分析。

　　在進(jìn)出口壓差為100kPa條件下，取該調節閥的全部流道和對稱(chēng)面進(jìn)行分析，研究其內部的流場(chǎng)分布情況。

　　1)開(kāi)度90%時(shí)流場(chǎng)分析

　　圖6為對稱(chēng)面上壓力云圖，圖7為對稱(chēng)面上速度矢量圖。

圖6 調節閥開(kāi)度90%時(shí)對稱(chēng)面上壓力云圖

圖7 調節閥開(kāi)度90%時(shí)對稱(chēng)面上速度矢量圖

　　從圖6可以看出，進(jìn)、出口壓力較為均勻，分別在100kPa和0左右，進(jìn)出口壓差較大，該壓差主要用于克服調節閥流道內的阻力。在水流經(jīng)過(guò)閥芯處有減壓增速的效果。從圖7中可以看出，進(jìn)口流速比較均勻，出口流速分布不均勻�？傮w看沒(méi)有很明顯的渦流，只是在閥道左下部(見(jiàn)圖7)，有小部分渦動(dòng)，可以考慮對此處流道進(jìn)行優(yōu)化。

　　2) 開(kāi)度40%時(shí)流場(chǎng)分析

　　圖8為調節閥開(kāi)度40%時(shí)對稱(chēng)面上的壓力云圖，圖9為開(kāi)度40%時(shí)對稱(chēng)面上速度矢量圖。

圖8 調節閥開(kāi)度40%時(shí)壓力云圖

圖9 調節閥開(kāi)度數0%時(shí)對稱(chēng)面上速度矢量圖

　　從圖8，圖9可以看出，與90%開(kāi)度時(shí)類(lèi)似，40%開(kāi)度下在水流經(jīng)過(guò)閥芯處有減壓增速效果，但90%開(kāi)度時(shí)閥芯處水流速度的變化更加明顯，高速流區域更大;相比90%開(kāi)度時(shí)，在40%開(kāi)度下，由于閥芯處過(guò)流面積較小，減壓增速所涉及的流域小，因此速度強烈波動(dòng)影響的范圍相對較小，并且在出口處流速更趨于均勻。由于開(kāi)度減小，進(jìn)口和出口處的流速相對有所減小。

　　在40%開(kāi)度下，在閥道左上部、右上部和右下部以及閥芯處有明顯渦流出現。渦流的出現會(huì )消耗流體的能量，增大阻力系數。因此，要對出現渦流處的流道進(jìn)行優(yōu)化，以減少或進(jìn)一步避免漩渦產(chǎn)生，減少能量損耗，提高流量系數。

5、調節閥流道改進(jìn)優(yōu)化

　　在閥門(mén)流道內產(chǎn)生的漩渦形成劇烈紊動(dòng)的分離回流區是水頭損失的主要原因。前文中對該閥體內流場(chǎng)數值模擬的結果表明該流道有待優(yōu)化。流道中漩渦出現的部位需進(jìn)行設計改進(jìn)，使介質(zhì)進(jìn)入閥體后流線(xiàn)圓滑，并且在拐彎處適當減速，盡量避免折流。流道改進(jìn)后的調節閥模型如圖10所示。

圖10 流道改進(jìn)后的調節閥模型

　　5.1 優(yōu)化后不同開(kāi)度下流量特性模擬數據與液流試驗數據對比分析

　　仍以進(jìn)出口壓差為100kPa為條件，對改進(jìn)后調節閥從10%～30%到全開(kāi)等10個(gè)開(kāi)度進(jìn)行數值模擬，將模擬所得的流量系數與通過(guò)液流試驗臺實(shí)際測量值進(jìn)行對比，如表2所示，將兩組數據進(jìn)行擬合如圖11所示。從圖11可以看出，數值模擬曲線(xiàn)和實(shí)際測量值曲線(xiàn)吻合較好。

表2 調節閥優(yōu)化后不同開(kāi)度下流量模擬值與實(shí)測值數據表

圖11 優(yōu)化后調節閥流量特性模擬值與實(shí)測值對比曲線(xiàn)

　　5.2 優(yōu)化前后流場(chǎng)特性對比

　　圖12所示為調節閥流道優(yōu)化前后流量系數實(shí)測值對比，圖13所示為40%開(kāi)度下，優(yōu)化后調節閥的對稱(chēng)面速度矢量圖。

圖12 流道優(yōu)化前后實(shí)測值對比

　　由圖12擬合曲線(xiàn)可以看出經(jīng)優(yōu)化后的調節閥流量系數有了提高。將圖13與圖9進(jìn)行對比可以明顯看出優(yōu)化后流道左上部的渦流強度減弱了很多，流道右上部渦流也有減弱。但由于結構的限制，對該閥體流道沒(méi)有做大的改動(dòng)，后續可以設計流線(xiàn)型的閥體流道，從而使閥門(mén)的流阻更小。

圖13 改進(jìn)后調節閥開(kāi)度40%時(shí)對稱(chēng)面速度矢量圖

　　上述結果表明，增大閥門(mén)流動(dòng)死角處的過(guò)渡圓角，可降低產(chǎn)生漩渦的可能性，并且能夠使流場(chǎng)內的壓力速度分布更趨于均勻，而且，閥芯處劇烈的減壓增速區域明顯后移，降低了流體對閥芯的沖蝕�？梢�(jiàn)，對閥門(mén)流道模型的數值模擬分析，可以方便地找出流道的不足之處并能有效的進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使閥門(mén)的結構設計更趨于合理。

6、結論

　　(1)調節閥流量系數的模擬值和試驗值吻合較好，表明CFD完全適用于調節閥的流場(chǎng)分析;

　　(2)通過(guò)數值模擬，得到了調節閥內部流體的流動(dòng)情況： 速度場(chǎng)分布、壓力場(chǎng)分布、流線(xiàn)走向、渦流等。調節閥傳統設計理念是先初步設計出樣品，通過(guò)5至6次的液流試驗的結果，對閥門(mén)的結構尺寸進(jìn)行反復修正，最終得出合理的閥門(mén)流量曲線(xiàn)，實(shí)現產(chǎn)品定型; 而基于CFD的調節閥輔助設計方法，改變了傳統的調節閥設計理念，經(jīng)過(guò)CFD優(yōu)化后的產(chǎn)品只需通過(guò)1至2次液流試驗作為對設計的驗證，就能實(shí)現產(chǎn)品的定型，從而大幅度縮短設計周期，節省成本。綜上所述，基于CFD的調節閥輔助設計方法，在突破國外產(chǎn)品在高壓氧氣調節閥的壟斷方面，發(fā)揮了重要作用。

　　應用這種先進(jìn)理念研發(fā)設計出的3″主氧路氧氣調節閥已經(jīng)在魯西化工等煤化工生產(chǎn)線(xiàn)上使用，調節開(kāi)度在30%-60% ，流量調節精確穩定，產(chǎn)品性能達到世界一流水平，能夠完全替代進(jìn)口產(chǎn)品，填補了當前國內氧路調節閥的空白。