轉爐煤氣干法除塵系統用杯形閥的流場模擬分析

摘 要：本文介紹了利用solidworks、ansysworkbenc、Fluent等軟件對轉爐煤氣干法除塵系統用杯形閥進行流場模擬分析，然后將分析結果導入公式計算得出杯閥的流量系數的方法，為杯形閥門的設計提供必要的理論依據。

關鍵詞：杯形閥；流場分析；流量系數

一、前言

轉爐煤氣干法除塵系統是一種現代化的凈化和回收轉爐煤氣的工藝方法，是目前國內轉爐煤氣凈化回收的主流技術，與傳統的煤氣濕法除塵相比具有節水、節電等優勢，節能效果明顯、且無二次污染，回收煤氣質量優于原濕法除塵系統。

杯形閥作為轉爐煤氣干法除塵系統中的重要設備，其作用是對煤氣回收、放散兩種狀態的切換，實現煤氣的凈化回收和合理利用。通過對杯形閥門進行流場模擬分析，得出較為準確的流量系數，從而優化閥門的結構設計，以期達到預期的流態，使干法除塵系統煤氣壓力波動盡可能減小，對實際生產有很積極的作用。

二、杯形閥的結構特點

杯形閥由回收杯形閥、放散杯形閥兩種，分別實現回收、放散功能；結構由伺服油缸、導流筒、閥體、下錐管、閥板、閥桿等部件組成。

三、杯形閥的流場模擬及結果分析

（一）理想狀態下的流量系數曲線。杯形閥的流量曲線取決于導流筒的形狀和閥門的開度，其中導流筒的形狀是根據工況壓力和閥門開度流量特性經三維模擬分析、設計的。理想狀態下的流量系數曲線如下圖：（圖1）

曲線大致可分為三段：第一段為曲線，流通面積隨行程增加而等比例增加，使閥門從關閉狀態到開啟50%左右時的流量保持等百分比流量調節特性；第二段為直線，流通面積隨行程增加而線性增加，使閥門從50%開度左右到80%開度左右時的流量保持線性流量調節特性；第三段為曲線，流通面積的增加隨行程增加而相應減小，使閥門從80%開度左右 到100%開度時的流量保持近似平緩增加的流量調節特性。

準確的閥門流量曲線往往需要通過實驗方法測得。然而對于可壓縮性氣體而言，由于通過閥門后其壓力、溫度、容積等狀態參數都將產生變化，所以相關的測試流量系數的技術和試驗裝置比較復雜，而且成本很高，費時費力。隨著計算機技術的發展，計算流體動力學CFD方法得到廣泛應用，通過計算機模擬流態分析法可方便準確的模擬并計算出閥門流通能力，得出閥門的流量系數。這樣即可為我們設計杯閥時提供相應的理論依據，又能節省大量的時間及人力物力等成本

（二）流量系數的理論計算式。流量系數Kv的定義是：流體流經閥門產生單位壓力損失（1bar）的體積流量，用每小時立方米表示。在美國流量系數用Cv表示，既流體流經閥門產生單位壓力損失（1psi）的體積流量，用加侖/分表示。

流量系數Kv與Cv的換算公式：Kv=1.156Cv。

對于可壓縮流體流量系數的計算公式為：

當Δp/P1<0.5FL2時

Kv=■■

當Δp/P1≥0.5FL2時

Kv==■■

式中 Kv——流量系數（m3/h） Qv——體積流量（m3/h）

ρ——流體密度（kg/ m3） P1——閥前壓力（bar）

P2——閥后壓力（bar） t——介質溫度，℃

FL——壓力恢復系數

y——■■

（三）建立杯閥模型并進行網格劃分。利用Solidworks三維建模軟件對杯閥進行三維流道建模。由于計算流體動力學分析屬于大型數值問題求解，因此為了縮短求解時間，建模時應避免模型過于復雜，以免影響分析速度。因此只需畫出閥體、閥板、導流板及管道的簡單模型。然后，應用ANSYS workbench仿真計算平臺中的ICEM模塊進行網格劃分。再將網格導入到CFD仿真模擬軟件Fluent中進行分析。

（四）設置邊界條件及運行結果。根據標準中對流量系數測定實驗的規定，同時參考實際實驗中提供的資料及工況數據，設定出適當的邊界條件，邊界條件的設置我們可以根據閥門流量系數的定義來選擇，即閥前閥后壓差為1bar。求閥門各個開度時的流量。例如：閥門全部打開時流態云圖及流量系數如下。（圖2為流態云圖）

經分析，閥門全開時閥門入口平均

流量Qv為266 m3/s

空氣密度ρ=1.293kg/ m3；

閥前壓力P1=2.01325bar；

閥后壓力P2=1.01325bar

介質溫度t=20℃。

壓力恢復系數FL=0.55，根據已知數據求得Δp/P1=0.475>0.5FL2=0.15

因此可根據公式求得流量系數Kv=32267，Cv=27912。

根據上述過程可以求得閥板在各個開啟行程時的流量系數，繪制出閥門流量系數曲線圖，如（圖3）所示

（五）結果分析。通過計算機模擬仿真得到的結果與實際結果會存在一定的差異，主要有以下原因：（1） 實際生產后的閥門與仿真模型不一致（實際加工存在誤差、建模簡化過程中存在誤差等）；（2） 邊界條件和使用條件不一致（實際測量壓差及流量值的取值點離閥門中心位置的距離不同，受現場操作空間限制）；（3） 實際測量時，流量及壓力等實際值存在誤差。

結語：在設計過程中利用流體動力學分析方法結合三維軟件的應用，通過對杯閥的流態模擬分析，可以簡單、快速地計算出閥門的流量系數，從而為杯閥結構的改進提供了理論依據，避免了建造實驗設備所需的大量人力、物力和財力，為企業節約了大量的成本。

參考文獻：

[1] 成大先.機械設計手冊.北京： 化學工業出版社.2008.

[2] 陸培文.實用閥門設計手冊.北京： 機械工業出版社.2007.