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  • 迷宫式调节阀设计应用概述-德国莱克LIK品牌
    发布日期:2017-2-4


    摘 要:为了指导油气管道调节阀的国产化研发工作,以较低的成本在短期内开发出高质量的产品,采用计算流体动力学(CFD)方法作为辅助手段对调节阀进行优化设计。基于某国产化调节阀的几何结构,建立不同开度下的内部流道,再通过Fluent流场分析软件进行计算,分析调节阀的流通能力、流量特性曲线、斜率偏差以及阀门内部压力和速度的分布情况,以此对调节阀的几何结构进行改进和优化。

    关键字:进口电动调节阀

    调节阀作为长输管道中调节油气输送压力和流量的关键设备之一,是油气正常输送和管道企业安全生产的重要保障。目前,油气管道使用的调节阀仍以进口为主,采购周期长、费用高,大幅增加了建设和运营成本,且制约了管道建设投产进程。因此,对调节阀进行国产化研制和应用,能够打破技术垄断,提高油气管道设备的运营保障能力,同时可以大幅降低成本,提高经济效益。

    计算流体力学(CFD)是研究流体流动问题的主要方法之一,具有成本低且能够模拟复杂或较理想工况等优点,已成为工程设计、产品研发过程中必不可少的辅助手段。在阀门新产品研发过程中,通过CFD方法进行数值模拟,不仅能够求出阀门流量特性参数,还可以直观地反映流道内的压力、速度分布及流体的流动情况,据此进行流道优化和设计方案改进,再通过较少的实验进行校核,即可在短期内开发出高质量的符合需求的产品。Ramesh及Song等通过CFD技术对阀门的流场进行分析,并基于分析结果对阀门的流道和结构进行优化。国内学者Xia、Yang及崔铭超等也利用计算流体力学对不同阀门进行数值模拟分析,对产生负面效应的结构位置重新优化设计,进行流动控制,提高阀门的性能。贾汝民、肖鑫等对调节阀的流量特性进行CFD数值仿真分析并深入研究改进结构,提出了改善调节阀调节性能的相关措施。总之,通过CFD方法,能够发现阀门设计中的不足,再针对具体问题进行改进,对新产品的研发具有重要意义。

    基于某国产化调节阀的三维几何模型,提取内部流场建立三维流道,采用CFD方法,施加合适的边界条件,对调节阀的流通能力和流量特性进行计算,分析其流量变化特点及内部压力、速度的分布,并对结构进行优化改进,以满足调节阀国产化设计需求。

    1 调节阀性能

    1.1 流通能力

    调节阀又称控制阀,通过执行机构产生推力力矩,调节阀芯的行程,改变介质流通面积,达到调节流量(或压力)的目的。调节阀的流通能力直接反映调节阀的容量,是设计、使用部门选用调节阀的主要参数。调节阀的流量系数KV或CV是反映调节阀流通能力的主要指标,与介质的物理属性、阀门结构尺寸等诸多因素有关。

    流量系数KV是指阀门全开时,温度为20℃的水在0.1MPa压差条件下,每小时流过阀门的体积流量。计算公式为:

     (1)

    式中:Q为体积流量,m3/h;G为密度,kg/m3;Δp为阀门前后压差,MPa。

    国际上也常用流量系数CV表征调节阀的流通能力。CV定义为阀门全开时,温度为60℃的水在6.895KPa压差条件下,每分钟流过阀门的体积流量,L/min。通过单位换算,得出KV与CV的关系:

     (2)

    根据国产化调节阀的设计要求可知,CV的理想值为5100,偏差10%,即当国产化调节阀的CV值在4590~5610范围内时均视为合格。

    1.2 流量特性

    调节阀的固有流量特性,是指阀门两端压降在恒定不变的条件下,介质流经阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的变化关系,可以表示为:

     (3)

    式中:为相对流量;为相对开度。

    常见的调节阀流量特性有线性特性、等百分比特性以及快开特性等,本次国产化调节阀安装在输油泵后,要求具有等百分比流量特性。等百分比流量特性是指在行程的每一点上,单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比,可以表示为:

     (4)

    式中:K为常数。

    根据阀门的特性,当边界条件L=0时,Q=Qmin;L=Lmax时,Q=Qmax。对式(4)积分,令R=Qmax/Qmin,得到:

     (5)

     (6)

    式中:R为调节阀的可调比,一般从10、25、30、50、100中取值,在此取R=50。

    由式(5)和式(6)可知,调节阀的相对流量与阀门开度之间理论上具有对数关系,且调节阀相对流量的对数与调节阀的行程呈线性关系,因此调节阀的等百分比特性又称为对数特性。调节阀在实际流量调节过程中大部分运行在中间行程,因此,在实际设计过程中,一般要求调节阀在20%~80%行程范围内具有等百分比特性,而在超过80%行程以后,阀门开度继续增大时流量增大趋势会变缓。同时,等百分比特性调节阀,其斜率偏差必须满足表1规定。

    表1 等百分比流量特性斜率偏差

    注:h=L/Lmax,为阀门对应升度;lg(KVn)-lg(KVn-1)为斜率偏差,表示调节阀在相邻升度处流量系数KV的对数之差,其中n=1时相对开度为0.1,n=10时相对开度为1。

    2 数值模拟

    2.1 几何模型

    某国产化调节阀的公称直径为600mm,压力等级为Class600,主要包括阀体、阀盖、阀芯、阀笼、平衡缸与阀座(图1)。流体从左端流入,右端流出,通过调节阀芯的行程,改变阀笼的流通面积,进行流量调节。根据调节阀的三维几何模型,采用几何建模软件,提取不同开度下的流道模型,并在不影响计算结果的情况下简化流道(图2)。

    图1 某国产化调节阀几何模型

    (a)整体流道 (b)50%开度时调节阀内部流道

    图2 不同开度下调节阀的流道模型

    2.2 网格划分

    调节阀内部流道结构复杂,因此采用非结构化的四面体单元对计算流道进行网格划分。在100%开度下,对调节阀流道进行网格划分(图3),网格单元数为330×104

    图3 调节阀流道网格划分模型

    2.3 数值求解

    采用Fluent流体分析软件进行模拟计算,其中阀门进出口边界条件设置进口压力为100kPa,出口压力为0,其他与调节阀接触的部分均设置为无滑移固壁边界条件。

    国产化调节阀的公称直径为600mm,设计流通能力CV为5100,流体介质为水,得出阀门入口流速v≈4.33m/s,马赫数Ma≈0.014<0.3,雷诺数处于105~106量级,因此,将调节阀内流体流动视为不可压缩流动处理,并采用两方程的k-e湍流模型进行计算。

    2.4 结果分析

    2.4.1 流通能力及流量特性

    在阀门全开、压差100kPa的条件下,对调节阀CV进行数值计算,并研究其内部流场分布。计算得出国产化调节阀最大CV值为4943.9,与理想设计值相差3.06%,满足CV值的设计要求,因此该调节阀的流通能力可以满足国产化需求。

    保持调节阀前后压差不变,对不同开度下的流场进行数值模拟,得到调节阀的流量特性曲线(图4)。实际工作中,调节阀一般运行在20%~80%行程范围内,因此将该行程范围内的流量特性数据进行拟合。在直角坐标系下,采用指数y=A1exp(-x/t1)+y0的形式进行拟合,在对数坐标下,采用直线y=a+bx的形式进行线性拟合。结果表明:20%~80%行程范围内调节阀流量随开度以指数形式变化,其对数随开度呈线性变化关系,理论上满足了等百分比调节阀的流量变化特点。

    图4 调节阀流量特性曲线

    2.4.2 斜率偏差

    等百分比流量特性调节阀,斜率偏差必须要满足表1规定。对国产化调节阀流量斜率偏差进行分析(图5),结果表明:斜率偏差仅在30%~70%行程范围内满足要求;在20%行程处,斜率偏差严重偏离规定的范围;在80%~100%行程范围内,斜率偏差只能近似满足要求。

    图5 调节阀斜率偏差曲线

    由此可见,国产化调节阀虽然在流通能力和流量特性变化趋势上符合设计要求,但斜率偏差不满足等百分比调节阀的相关要求,尚需进一步对其结构进行改进,以更好地满足国产化要求。

    3 流道结构优化及结果分析

    3.1 结构优化

    为了使国产化调节阀在流通能力、流量特性以及斜率偏差等方面都能很好地满足要求,依据斜率偏差所反映的流量特点,保持阀门口径不变,对阀笼的流通面积进行优化改进,并重新进行流道抽取(图6)。对比图1和图6a可知,调节阀阀笼窗口变化较为明显,将窗口数量从原来的8个调整为6个,窗口的几何形状有了显著改变,建立的调节阀内部流道模型也较之前发生了明显改变。

    图6 优化后调节阀的几何结构及内部流道模型

    3.2 数值模拟分析

    对优化后的阀门内流道,保持边界条件不变,重新进行流场计算,并对比分析其在流通能力、流量特性以及斜率偏差等方面的变化。

    3.2.1 流通能力及流量特性

    计算求得,优化后的调节阀最大CV值为4974.7,与理想设计值相差2.46%,相比优化前有所提高,更接近于设计要求。

    对不同开度下的调节阀流场进行数值模拟,得到调节阀在直角坐标系和对数坐标系下的流量特性曲线,并与优化前流量特性进行对比(图7)。优化前后,在20%~80%行程范围内,流量特性曲线存在明显差异,优化后,在同一开度下的相对流量变小,但流量特性曲线变化趋势相同(图7a)。相应地在20%~80%行程范围内,在同一开度下相对流量的对数值也有所减小(图7b),使相对流量对数在10%~80%行程范围内都随阀门开度呈线性变化关系,相比优化前效果更好。

    图7 优化前后调节阀流量特性曲线对比

    3.2.2 斜率偏差

    通过对优化后的调节阀的流量斜率偏差进行分析(图8),相比优化前的结果,斜率偏差有了明显改善,在整个行程范围内,完全满足等百分比流量特性的斜率偏差要求。因此,优化后的调节阀模型,从流通能力、流量特性以及斜率偏差等方面均达到了国产化的设计要求。

    图8 优化后调节阀的斜率偏差曲线

    3.2.3 流场分析

    根据优化后调节阀在不同开度下压力云图(图9)可知,10%开度时,阀笼窗口的大部分面积被套筒遮挡,流体仅从细小的窗口缝隙中流过,且在流经孔隙时,压力急剧降低,导致阀内出现明显的压力台阶;50%开度时,阀内的压力分布趋势与阀门10%开度时近似;阀门全开时,阀内压力变化趋势表现出完全不同的特点:流体从阀前经过阀门流至阀后时,压力逐渐下降,且趋势缓和,这是因为阀门全开时,阀笼窗口较大,对流体的阻挡作用较小。

    图9 优化后调节阀对称面上的压力云图

    根据不同开度下调节阀对称面上的速度矢量分布情况(图10),从调节阀内部流体流动方向来看,10%开度和50%开度时,阀内流体流动情况较为相似,但比阀门全开时复杂,特别是在10%开度时,阀门对称面上流体从前后细小的孔隙A、B加速流入,使得内部对称面上形成了一对旋转方向相反的对称漩涡a和b。漩涡是流体能量耗散的主要因素,因此,在小开度下,阀门内部流体能量损失较大,整体流速相对较小。阀门全开时,流体能够从阀门出口顺利流出,阀内亦未产生图10a所示的对涡,因为全开时流通窗口较大,流体主要从正对流动方向的B窗口流入,从A窗口流进的流体较少,对主流的冲击小,使流体能够较为顺利地从阀门出口流出。

    图10 不同开度下调节阀对称面上的速度矢量云图

    4 结论

    采用CFD方法对某国产化调节阀内流场进行三维数值计算,分析其流通能力、流量特性曲线以及流量斜率偏差,并在此基础上对国产化调节阀的几何结构进行优化。研究发现,优化前,国产化调节阀虽然在流通能力和流量特性曲线上能够满足设计要求,但流量斜率偏差不满足等百分比调节阀的相关要求。优化后,调节阀在流通能力、流量特性曲线以及流量斜率偏差方面都能很好地满足国产化设计需求。

    通过CFD方法对国产化阀门新产品进行流场分析,能够快速发现设计中的不足,然后针对具体问题进行改进,替代了新产品开发过程中大量的重复性实验,能够在短期的开发出满足需求的产品,缩短新产品的研发时间,降低制造成本。因此,基于CFD方法的优化设计方法,在调节阀国产化研发过程中对生产厂家起到了很好的指导作用。

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