關于一種新型煙管閥門的分析與研究

陶 力

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

化工、冶金等工程中都會使用大量的煙氣凈化和除塵設備，這些煙氣凈化除塵設備與產生廢氣和煙氣的生產設備之間是靠煙氣管道進行連接的。在煙氣管道上設置有各種功能的管道閥門，其中一種閥門就是用以調節煙氣管道通量大小的調節閥門。目前使用的煙氣閥門大多數為蝶閥和閘閥，蝶閥是通過閥片在煙管內旋轉以改變煙道通量的大小；而閘閥則是通過閘板的上下移動來實現煙管通量大小的調節。閥門在煙管上調節通量大小的過程中勢必會對煙氣在管道內的的流動產生阻礙和干擾，而理想的調節閥門應該在改變煙管通量的同時盡可能的減少對煙氣流動的阻力，做到煙氣在通過閥門前后的壓力、流速和流動方向保持穩定可靠盡，在有效改變煙管通量的同時盡量減少能量損失。

1 常用閥門種類

目前大量使用的閥門中蝶閥和閘閥最為常見，蝶閥是在管道中設置1塊圓形閥板，通過設置在管道中軸線上的回轉軸的轉動帶動閥板旋轉來實現管道大小的調節；閘閥則是在閥門上設置垂直于管道軸線的閘板，通過閘板的上下移動來打開或關閉閥門。通過對目前使用的蝶閥和閘閥的研究發現，由于其自身結構的特點，在閥門改變通量大小的過程中都會對煙氣氣流產生不同程度的影響。對于蝶閥而言，雖然閥板通過旋轉打開或關閉，打開的部位能夠順利地通過煙氣氣流，但是由于閥板位于煙管通道的中央部位，對通過煙管中心位置的煙氣會產生較大阻擋，迫使煙氣繞道而行。對于閘閥來說，閘板豎直設置在管道橫截面上，當閥門需要減小管道通量時，閥板向下移動直接阻擋部分煙氣流動，造成管道內部氣流紊亂，而且會導致閥門處局部壓力損失加大。

2 設計新型管道通量調節閥

在現有閥門的基礎上，結合煙氣流動的特點，我們重新設計了一種新的管道通量調節閥門，新閥門結構見圖1。

該閥門采用多閥片旋轉式開合結構，多片閥板通過轉銷與轉盤連接，兩瓣閥體將轉盤、閥片夾持固定，轉盤上的撥桿外露與閥體外與執行機構連接。當執行機構動作后，推動撥桿帶動轉盤旋轉，同時通過轉銷帶動閥片旋轉使閥片產生相對移動，從而實現閥門的連續打開和關閉動作。在管道調節閥上安裝有驅動裝置，驅動裝置為閥門調節提供執行動力；管道調節閥的結構類似鏡頭快門，中間為通孔，驅動裝置的動作將調整快門板旋轉，使中間通孔向外擴大或向內縮小以實現閥門截面大小的調節，在這整個過程中，通孔大小的變化是平穩且連續的。

利用SolidWorks Flow Simulation有限元軟件對新型調節閥門以及傳統的蝶閥和閘閥建立三維模型并進行氣流調節效果的分析。通過對計算數據進行的分析和比對，掌握各種管道閥門通量調節性能和煙氣流動規律，為新型管道調節閥門工程實際應用提供可靠的理論分析依據。為了方便對各種閥門調節效果的對比，我們將統一閥門模型的各項設計參數，其中包括：管道直徑、閥門位置、煙氣進口流量、煙氣出口壓力、閥門開度大小等。

分析之前，簡單介紹一下SolidWorks Flow Simulation有限元分析軟件，他屬于一種計算流體動力學(CFD)分析軟件，是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。SW Flow Simulation軟件使用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解方程組獲得場變量的近似值。CFD可以看做是在流動基本方程(質量、動量、能量守恒方程)控制下對流動的數值模擬，通過模擬，可以得到及其復雜問題的流場內各個位置上的基本物理量(速度、壓力、溫度、濃度等)的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況。

分別建立新型調節閥、蝶閥、閘閥的三維模型，管道的通徑相同均為DN400，然后將每一種閥門的開度調整為最大通量的1/2開度，同時在管道的進口和出口分別設置相同的氣流初始條件。管道進口設置氣體(介質為空氣)進入的總流量均為：12 000 m3/h(≈3.3 m3/s)，管道出口的環境條件設置為靜壓(壓力值為環境壓力)。在管道進口與出口條件相同且管道閥門開度均為管道截面1/2的情況下，通過仿真計算，模擬氣流的運動過程，再將3種閥門的模擬結果進行比較，找出每種閥門氣體運動的各自特點。由于我們在這個階段主要討論的是各個閥門在工作過程中對氣流流動的干擾所產生的影響作用，所以這次模擬過程我們暫時不考慮溫度的影響。

圖2為新型調節閥氣體流動壓力等高線和氣體流動線路圖，從圖中我們可以看出進口側(閥門左側)氣體壓力值大約在103 562.02 Pa，出口側(閥門右側)氣體壓力值大約在99 739.11～101 377.50 Pa之間。從氣體流動壓力等高線上可以發現在閥門兩側的氣壓值變化非常的有規律，壓力值的變化層次感清晰、界限分明。從氣體流動線路圖能夠清晰的看到氣流運動軌跡，該軌跡最大的特點就是氣流整體運行過程被閥門的干擾并不明顯，氣流主要運行通道仍然是管道的截面中心部位，而且管道中心部位處的運行軌跡仍以直線為主并未受到閥門過多的阻礙和干擾。

圖3為蝶閥氣體流動壓力等高線和氣體流動線路圖，從圖中可以看出進口側(閥門左側)氣體壓力值大約在103 913.11 Pa，出口側(閥門右側)氣體壓力值大約在99 817.13～101 572.55 Pa之間。從氣體流動壓力等高線上可以發現在閥門兩側的氣壓值變化也并不是非常的大，壓力值的變化比較大的部位主要集中在閥瓣的上方位置。從氣體流動線路圖可以看出當氣體流動到閥瓣位置時，由于閥瓣處于管道流通截面的正中心，因此氣流在此受阻后被迫改道向上下兩側流動。當氣流進入閥瓣右側后，由于閥瓣擾流效應的干擾導致氣流流動線路產生了偏移，只有管道底部少部分氣流保持了直線流動，而管道中部及上部流動方向比較紊亂，有從上向下流動的趨勢。

圖4為閘閥氣體流動壓力等高線和氣體流動線路圖，從圖中可以看出進口側(閥門左側)氣體壓力值大約在104 108.16 Pa，在被閘閥閥瓣阻擋處的氣體壓力值大約為105 200.42；而出口側(閥門右側)氣體壓力值大約在99 192.98～100 285.24 Pa之間。從氣體流動壓力等高線上可以發現雖然在閥門兩側的氣壓值變化并不是非常的大，但是由于閥瓣的阻擋作用，導致氣體流動出現局部紊亂和渦流現象。從氣體流動線路圖可以看出當氣體流動到閥瓣位置時，因閥瓣切斷了管道截面一半的面積，氣體流動到閥瓣處被阻擋后向下移動，經過閥瓣后大部分呈直線移動，同時在閥瓣的背后區域出現了壓力下降，造成此區域氣體流動呈現螺旋渦流狀態。

通過上面對3種通氣閥門在相同管道截面和開閉狀態下的工況實際模擬，可以清晰的看見氣體在管道內的壓力分布情況，以及氣體流動的軌跡曲線。經過比較與分析，新型調節閥、蝶閥、閘閥3種閥門在通過改變管道流通截面調節管道流量的過程都會產生氣體的壓力變化并且改變氣體的流動軌跡，但是新型調節閥對氣體流動軌跡的干擾和阻礙影響最小，并且氣流在通過閥門前后的壓力波動也是最小的，這對于減少氣體在流經閥門時造成的能量損失是有好處的。

3 應用分析

新型閥門在煙氣管道上安裝后的效果圖見圖5。新型管道調節閥兩側分別與煙氣管道連接，閥門上閥片撥桿與驅動裝置連接，通過驅動裝置提供動力實現閥門開閉。

在具體實施的過程中，閥門的兩側還將安裝探測壓力變化用的差壓變送器以及感知氣體流動大小的氣體流量計。通過差壓變送器或者流量計的信號輸出，可以控制驅動裝置的伸出和縮回，完成調節閥門的打開和關閉動作，最終實現管道內的氣體流量和閥門前后的壓差值符合設計和生產的要求。具體實施時差壓變送器的輸出信號可以按照實際的工況需求提前設定，當閥門兩側的氣流壓力差值達到設定值時，差壓變送器便輸出信號控制執行機構動作以打開或關小閥門，使得閥門兩側的氣流壓力恢復到原來的工作狀態，保持煙管內氣流工作平穩。也可以對差壓變送器輸入一個需要的壓力差值，使其控制執行機構動作打開或關小閥門，當閥門兩側氣流壓力差達到設定值后停止執行機構動作，完成煙氣通量大小的調節動作以維持閥門兩側壓差始終保持在初始設定值。另外，當閥門具體應用在鋁電解工業中時，還可以結合鋁電解槽對煙氣流量和電解槽內溫度的控制要求來對閥門進行調節控制。比如，當電解槽內煙氣過多或是正處在換極作業時，此時需要加大煙氣的收集與排放，保證電解槽內的氣體維持負壓狀態避免煙氣的外泄，所以需要控制閥門開啟到最大狀態全力排放；但是當電解槽內工作平穩煙氣量較低或者電解槽處在啟動的初期階段時，需要對電解槽進行保溫控制，盡量減少電解槽內因空氣流動而造成的熱量損失，所以需要控制閥門關閉到最小狀態以減少排放。

4 結 語

新型煙氣管道調節閥門的出現，對于煙氣管道調節閥的選用又提供了一種新的選擇。相對傳統的蝶閥、閘閥等閥門來說，新型煙氣管道調節閥所具有的平穩可靠性和智能可控性使得其優勢明顯，為今后工業廠房的智能管控(MES系統)升級改造提供設備支持。相信不久的將來，新型煙氣管道調節閥門會有更為廣闊的發展空間。