高壓差精調型小流量調節閥的設計與仿真實驗驗證

李武，郝嬌山,2

(1． 重慶川儀調節閥有限公司，重慶400707；2. 重慶川儀自動化股份有限公司技術中心調節閥研究所，重慶400707)

高壓差精調型小流量調節閥的設計與仿真實驗驗證

李武1，郝嬌山1,2

(1． 重慶川儀調節閥有限公司，重慶400707；2. 重慶川儀自動化股份有限公司技術中心調節閥研究所，重慶400707)

針對高壓差小流量調節工況，結合柱塞閥與平衡籠式閥特點，設計了一種新型的精調型小流量調節閥，并借助CFD流體分析軟件進行了仿真實驗研究。為更好驗證該閥門的適用性能，建立三維模型，并將某化工廠的現場工況參數作為邊界條件，對模型的內部流動進行了數值模擬計算，獲得了內部流場結果。根據結果顯示： 該閥門在高壓差工況下具有較好的降壓效果，可調行好，符合設計的預期目的。

高壓差 小流量 仿真模擬 流場

在現代工業生產中，調節閥是流體運輸過程中的重要控制元件，是確保各種工藝設備正常工作的關鍵設備，被廣泛應用于電力、化工等領域。隨著工業技術的發展，高壓差介質工藝裝置越來越多，而該工況下運行的閥門極易在節流處發生閃蒸和空化，導致閥內件產生嚴重氣蝕[1]。

針對該類問題，閥門制造商進行了長期的實驗研究，并取得了一定的成果。如材料方面，可采用表面涂層硬質合金的方法來延長閥門使用壽命；在閥門結構方面，采用迷宮式、多級菱形、多層套筒等特殊閥內件結構，有效解決了用戶端在高壓差工況下閥門運行時出現的噪聲、氣蝕等問題。

然而，針對高壓差小流量且要求精確調節的工況，常規的高壓差閥門卻不能很好地滿足要求，如減溫減壓裝置上的減溫水調節閥，減溫水量的調節精度直接影響二次出口蒸汽的溫度和壓力的變化，進而對后段的生產工藝產生影響。因此，不論是該類工況下閥門運行性能的保證，還是用戶端生產工藝的可靠性保障，設計專用于高壓差工況下的小流量調節閥，意義都十分重大。

1 高壓差精調型小流量閥的結構特點

高壓差精調型小流量調節閥是一種在高壓差介質工況下可同時滿足小流量精確調節和多級降壓的調節閥，其結構簡單，零部件的通用性和在線維修都較為方便，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、執行機構等零部件可與常規高壓閥通用；閥內件與閥體間無螺紋連接，便于維修更換。其內件結構如圖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，并根據工況壓差設計合理的套筒層數，相鄰套筒之間采用分段式結構，使介質“各行其道”，保證每層套筒承擔均勻的壓降，并按流量特性設計每層套筒上節流孔的數量、大小、排列方式；閥芯采用整體式結構，避開螺紋連接出現的各種問題，并且能保證較好的加工精度。同時，為實現介質的精確調節，閥芯端部按工況所需流量特性設計成曲面形，密封面堆焊硬質合金，從而提高閥芯的抗沖蝕能力。

圖1 閥內件結構示意

2 降壓原理

該結構是結合柱塞閥芯高可調比的特點以及多層套筒降壓消聲的優勢，通過結構上的“串聯”實現優勢上的“疊加”，是一種能適應于高壓差工況的小流量調節閥。當閥門逐漸打開時，介質流經閥芯后發生第1次壓降；接著從已打開的第1層套筒的節流孔噴射進入中間緩沖區，流路在緩沖區內發生轉折，介質間相互碰撞，大量消耗靜壓，發生第2次壓降；再經過第2層套筒噴射進入閥體內腔，形成淹沒射流，射流速度在閥體內腔急劇下降，并形成大量小尺度渦流，實現第3次壓降。在逐級降壓的同時，流速也得到了控制，不僅減小了湍流強度，還有效降低了噪聲、避免了振動現象的發生。從閃蒸的角度考慮，介質發生每級降壓后，壓力值均不低于飽和蒸汽壓，使得閃蒸發生點后移至閥體內腔，從而有效地避免了介質對閥內件的氣蝕，延長了閥門的使用壽命。

3 閥門內部流場模擬計算

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，公稱壓力為Class600，CV值為1，開度為85%，并按GB/T 17213.9—2005《工業過程控制閥》 第2—3部分： 流通能力 實驗程序[2]中物理實驗的規范對閥體的進、出口端進行延伸處理。為提高計算效率，模型采用50%對稱模型，如圖2所示。

圖2 閥門50%流體域模型示意

3.2 網格劃分

采用Fluent Mesh對流體域模型進行網格劃分。設置合理的網格尺寸，在保證較好的網格質量的同時，還需保證合理的網格數量[3]。其中進、出口端直管部分采用六面體網格，且直徑方向不少于25個網格；由于閥芯與閥座節流間隙流速和壓力梯度較大，因而需進行局部網格細化，且保證水平截面同方向不少于6個網格，通過模型剖分，可采用六面體網格劃分；其他區域可采用四面體網格劃分，需保證套筒上所有節流孔的直徑方向不少于5個網格。經劃分，該模型共生成105萬個網格。

3.3 邊界條件設置

根據某電廠減溫減壓裝置中減溫水調節閥參數： 介質為水，T=105℃，閥前壓力p1=5.5 MPa，閥后壓力p2=0.4 MPa。閥門進、出口均設置壓力邊界條件；假定系統內部為絕熱流動，流體無熱傳導現象，所以不考慮能量方程；參考壓力設為0.1 MPa；選用Standardk-ε湍流模型；近壁面采用標準地面函數；以連續性方程、動量方程和基于各向同性渦黏性理論的k-ε方程組成數值模擬的控制方程組，以數值分析方法將方程組離散至所有網格點上，進而求解流動區域內的離散數值解。為平衡計算精度和計算效率，壓力離散格式用Stand格式，其他方程離散格式采用二階迎風[4-8]。

3.4 仿真結果

將管道軸線中心與閥門縱向中心線交點作為原點，并在Y=0平面設置4個監測點A(4.3，0，-6.5)，B(6，0，10.5)，C(14，0，25)，D(24.5，0，27)進行壓力值監測，經數值模擬計算并獲得計算結果。對稱面壓力云圖如圖3所示，可以看出介質在流經閥芯及套筒部件后，壓力明顯降低，測得4個監測點壓力值分別是：A點5.35 MPa，B點4.19 MPa，C點2.37 MPa，D點0.67 MPa；對應的壓差是： ΔpAB=1.62 MPa，ΔpBC=1.54 MPa，ΔpCD=1.55 MPa。由此可知，介質壓力在閥內逐級降低，且每一級降壓承擔了基本相同的壓差。圖4為對稱面上壓力散點圖，該圖可更為直觀地看出： 介質在進、出口直管段壓力平穩，而在閥內件中間區域發生了3次壓降，且壓降梯度均勻。

圖3 對稱面壓力云圖

圖4 對稱面x方向壓力分布散點圖

介質流速云圖如圖5所示，可以看出閥門進、出口端流速較低，而介質最大流速位于節流孔中

心，并且各孔流速均勻分布，當高速射流進入閥體內腔后，形成“淹沒射流”，流速迅速降低。由此說明，套筒為閥門內部流阻最大的元件，幾乎承擔了閥門全部的壓降。另外，內部流場出現較大渦流的區域主要是閥芯節流區域、套筒緩沖區域、閥體內腔區域，介質主要在以上3個區域內生成了較強的湍流，消耗了大量的壓力能，使得壓力降低。

圖5 對稱面介質流速云圖

4 結 論

1) 提出了一種能適用于高壓差小流量工況的調節閥設計方案，并分析了其結構特點和降壓原理。

2) 建立三維模型，并按某電廠實際工況作為實驗邊界條件，采用CFD仿真分析軟件對模型進行了數值模擬計算。結果顯示： 該結構閥門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。

[1] 吳國熙.調節閥使用與維修[M].北京： 化學工業出版社， 2008.

[2] 王群增，鄭秋萍，王燕，等.GB/T 17213.9—2005 工業過程控制閥[S].北京： 中國標準出版社，2005： 9.

[3] 李大鳴，范玉.計算流體力學[M].天津： 天津大學出版社，2014.

[4] 蘇海霞.基于CFD的煤化工閥門的改進設計[J].寧夏工程技術，2015，14(03)： 272.

[5] 彭龑，宗亮宇，李淇陽.基于CFD 的 V 型孔板調節球閥數值模擬研究[J].機械工程師，2014(03)： 89-91.

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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，現就職于重慶川儀調節閥有限公司，主要從事各種控制閥的技術咨詢工作，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。