高壓差微小流量調節閥的設計與仿真

陳剛,沈小堃

(1. 中國石化儀征化纖股份有限公司，江蘇 儀征 211900；

2. 無錫智能自控工程股份有限公司，江蘇 無錫 214112，China)

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高壓差微小流量調節閥的設計與仿真

陳剛1,沈小堃2

(1. 中國石化儀征化纖股份有限公司，江蘇 儀征 211900；

2. 無錫智能自控工程股份有限公司，江蘇 無錫 214112，China)

摘要：針對高壓差(大于10 MPa)、微小流量(Cspan<0.1)工況條件下，調節閥的閃蒸、空化容易造成閥芯振動、閥桿斷裂、密封面沖刷、噪音大等問題，設計了一種微小流量調節閥。采用孔板節流與多級降壓相結合，實現級間壓降平穩分布，有效降低了閃蒸、空化及密封面沖刷。通過理論計算，確定閥內件的關鍵尺寸。運用CFD軟件進行閥內流場的數值模擬，數值模擬及流量試驗的數據表明，理論計算較為準確，數值模擬可靠。

關鍵詞：多級降壓高壓差調節閥數值模擬

隨著工業的迅猛發展，高壓差和小流量工況在石油、化工、冶金、電力等工業生產裝置中的應用日趨普遍，從安全生產的角度出發，介質的控制執行元件——調節閥的有效性和可靠性尤為重要。調節閥的沖刷、閃蒸、氣蝕，致使其壽命縮短，重要裝置上通常選用國外進口產品，但其價格昂貴、維修成本高、供貨周期長。國內很多專家進行了相關研究[1-3]，嘗試使用不同的結構，但未提出較明確的理論計算公式。

高壓差、小流量閥門易出現氣蝕和振動，其主要失效模式： 閥桿斷裂、閥內件沖刷嚴重、密封面失效、連接處脫落，進而導致調節閥無法控制或失效。特殊工況下，該調節閥除滿足準確調節性能外，恰當的選材可提高零部件表面抗沖刷的能力，合理的結構設計能夠均衡壓差，從而減小介質對閥內件的氣蝕和沖刷，提高閥門的使用壽命，故多采用多級降壓結構。

多級降壓通常可采用多級套筒式、迷宮式、多級串式、疊板集成塊式節流組件調節閥。多級套筒調節閥具有一級或者兩級降壓套，優點是閥門流阻小、流通能力大、可調比大，缺點是實際運用中抗氣蝕能力差。減小閥芯尺寸，做成針式結構，材料表面經過硬化處理，可滿足微小流量要求，但結構必須能承受高壓差帶來的沖刷、振動，且閥桿尺寸非常小，極易發生斷裂。迷宮閥能使介質通過曲折的流道時降低流速，從而減小氣蝕，但帶顆粒介質易堵塞，且加工成本高，閥芯與迷宮套筒之間存在較大的配合間隙，影響調節精度。疊板集成塊式調節閥與迷宮閥相似，每個小窗口的流量系數都會超過0.1，且閥芯與迷宮套筒有較大間隙。因此，上述三種結構不能滿足高壓差，微小流量的要求。

若采用多級串式降壓，因各級的壓差減小，相同流量要求時，可選擇較大的閥芯直徑，且每一級節流后均有較大的緩沖空間，避免了對閥內件的撞擊，大幅增加了結構的可靠性，能實現各級壓降的精確控制，可適用于流體清潔度不高，甚至兩相流的場合，制作工藝相對簡單。然而國內外尚無關于該類多級降壓調節閥的準確理論計算公式。筆者通過理論計算結合數值模擬設計了一種適合高壓差、微小流量的調節閥，并結合流量試驗驗證了設計的準確性。

1理論計算

1.1阻塞流

當阻塞流產生時，必然產生閃蒸、氣蝕，會降低零部件的使用壽命，甚至造成密封面的損壞，產生內漏。

對于壓差較大的應用場合，須確保通過多級降壓，介質通過每一降壓段時的壓力不小于液體的飽和蒸汽壓，壓差均小于阻塞流壓差，如式(1)所示。

(1)

式中： FL——液體壓力恢復系數，調節閥取0.95；FF——液體的臨界壓力比系數，FF=0.96-0.28(pV/pC)1/2;pV——入口溫度下液體蒸汽的絕對壓力，MPa；pC——絕對熱力學臨界壓力，MPa，對于水： pC=22.12 MPa。

1.2多級降壓原理

采用一級降壓時，降壓過程中，壓力會小于介質飽和蒸汽壓，從而產生閃蒸，隨著閥門壓力恢復至介質的飽和蒸汽壓以上，閥門出現氣蝕，對閥內表面、密封面等產生破壞。降壓原理如圖1所示。

圖1　降壓原理示意

采用多級降壓，介質壓力逐漸下降，始終不低于介質的飽和蒸汽壓，避免產生一級降壓時的閃蒸和氣蝕問題。

1.3閥門技術參數

以某高壓閥為例，進行設計與仿真，其工藝參數見表1所列。

表1　某高壓閥工藝參數

1.4設計計算

1.4.1計算流阻系數和初定閥門結構

閥門流阻系數與閥門結構形式有關，計算公式為

(2)

式中：Δp——閥門進出口之間的壓差，Pa；ρ——介質的密度，kg/m3;A——閥門內流道面積或進出口管道面積，m2；qm——流體質量流量，kg/s。

工況流阻系數見表2所列。流阻較大，初定為多級串式降壓結構，如圖2所示，工作原理： 前端孔板節流、多級串式降壓、后端多孔節流相結合，介質從入口流入，先經節流孔板，部分降壓；再經多級串式降壓，每一級降壓之間均有較大的流體紊流緩沖區，旨在減小介質對閥芯的沖刷。多級降壓后，密封面處承擔的壓降較小，從而達到保護密封面、提高閥門工作可靠性的目的。后端節流孔用于穩定閥后流場，降壓的級數及關鍵尺寸須計算得出。

表2　流阻系數

調節閥的總壓降等于各段壓降的總和：

Δp=Δp1+Δp2+Δp3+…+Δpn

(3)

圖2　多級降壓結構示意

1.4.2流量系數計算

控制閥技術參數如下：

控制閥類型： 多級降壓角閥；

閥內件： 小流量等百分比閥芯，需多級降壓；

流向： 流開；

控制閥通徑：D=25 mm；

控制閥修正系數：Fd=0.3；

氣蝕系數：KC=0.85。

根據文獻中計算流量系數的方法，有以下步驟：

1) 先確定流態：

(4)

Δpc=11 216kPa<Δp=13 800kPa<ΔpT,且閥后壓力p2=1 600kPa>pV=80.8kPa,所以閥門處于初始氣蝕階段。

2) 計算最大流量時的流量系數。首先采用以下公式計算流量系數KV：

(5)

由CV與KV的關系可得出最大流量時流量系數CV=0.096 6；選取額定CV=0.3。

3) 計算雷諾數：

(6)

因為控制閥雷諾數遠大于10 000，所以流態時紊流不需要更多的校正,可采用該流量系數。

4) 流量系數經驗公式。為簡便地計算流量系數，得出計算流量系數的經驗公式：

(7)

式中： K0——經驗參數；ξ——流阻系數。

最大流量時的CV代入式(7)，得出K0=4.91，正常流量及最小流量同樣滿足，因而該多級降壓閥流量計算公式為

(8)

普通單座閥的K0為30左右，初定降壓級數約為6級。流量系數與qm的關系滿足下式：

(9)

正常流量時，CV=0.064 3；最小流量時，CV=0.038 6。

1.4.3關鍵參數計算

1) 各級流量系數關系。由式(3)，式(9)得出每級流阻系數的關系：

(10)

進而得出：

(11)

式中： CVd——閥座流通能力；CVCn——第n級節流流通能力，為便于計算，假設每級節流尺寸都相同；CVKn1——第n1級節流板流通能力；為便于計算，假設每級節流板尺寸相同。取值先假定，再進行試算，確保流場及流量系數滿足工況。

2) 閥座流通能力：

(12)

式中： K1——閥座流通系數，取22；r——閥座流道半徑，mm。

計算得： CVd=6。

3) 閥芯流通能力，滿足下式：

(13)

式中： CVC——閥芯總的流通能力；K——閥芯流通系數，查手冊，取26；A1——流通面積，mm2，閥芯處的環形流通面積；N——降壓級數。閥芯有四級節流降壓，由式(13)得出閥芯CVC=0.758 5。

4) 孔板參數：

(14)

由式(14)得出CVK=0.463且

(15)

式中：n——孔的個數；Kk——孔板的流通系數，取23.4；rk——每個孔的半徑，取為2 mm。

得出n=4，兩個孔板的孔錯位分布，以增大壓力損失。

5) 閥芯曲線。經過多級降壓，在閥座密封面處的壓降很小，因而降低了流體對閥芯閥座密封面的損傷。通過受力分析，并考慮振動、沖刷等工況可能造成的閥桿不穩定等問題，確定閥桿的直徑為12 mm。

由式(11)～(15)得出各個開度時，閥芯處的節流面積：

(16)

建立如圖3所示坐標系，點(x，y)，(7.5，10)組成直線，流通面積A1為該直線繞y軸組成的錐面面積，滿足以下公式：

(17)

(18)

式中： θ——節流面與x軸的夾角。

圖3　流通面積計算示意

依據要求的流量特性，得出各開度的流通面積，根據式(17)～(18)得到某個開度的等面積曲線，各開度的等面積曲線組成一組曲線，取包絡線并利用線性代數的相關公式求解，即得閥芯輪廓。

2數值模擬

為校核理論計算的準確性，采用有限元計算軟件進行調節閥的數值模擬試驗。

按照調節閥內腔流道建立計算模型，依據文獻 及JB/T 5296—1991《通用閥門流量系數和流阻系數的試驗方法》中關于流量試驗的相關要求進行邊界條件設置，調節閥的入口與出口處管道加長為公稱管徑的5倍和10倍，設置出入口設置為壓力邊界，壓差為MPa。

選擇k-epsilon湍流模型，并設置相應的流場初始參數。從5%，10%，…，100%開度，共20個閥門開度進行計算，得出的額定流量系數為0.3，與理論計算值相符。流量特性曲線基本滿足等百分比特性，如圖4所示。可以看出閥門開度為30%～58%，滿足調節閥使用要求。正常開度約為50%，各級降壓分別為16.5%，17.9%，19.2%，18.5%，8.8%，0.5%。兩級孔板共降壓34.4%，從而大幅減少了閥芯尤其是密封面處的壓差及沖刷，提高了閥門的使用壽命。可選擇不同閥芯直徑以及不同閥芯曲線進行計算，對比結果選優。

3試驗驗證

流量試驗是檢驗閥門流通能力，驗證理論設計準確性的重要方法。將上述調節閥產品，安裝至流量試驗設備上，調整閥前后的壓差至0.1 MPa，通過流量計讀取調節閥的流量，換算成CV值。得到的結果與仿真數據進行對比，差距最大為8.9%，如圖4所示。

圖4　試驗及仿真數據

試驗結果表明： 調節閥滿足工況要求，數值計算的參數設置較為準確，數值模擬可以直接用于輔助理論設計，從而減少了設計時間成本及經濟成本。

4調節閥的設計流程

多級調節閥的設計較為繁瑣，涉及的內容較多，本文設計的調節閥經數值模擬及流量試驗驗證，流量滿足要求，降壓情況較為理想，故總結調節閥設計流程如下：

1) 根據工況參數，得到閥門的流阻系數，對閥門的類型及特點作初步的選擇。

2) 進行介質流態判定，計算流量系數。

3) 初定閥座的直徑，從而計算出閥座的流通能力。

4) 通過壓降關系以及流量系數公式，得出閥芯的關鍵尺寸。多級降壓閥通常要選擇多種孔數、級數、閥芯節流面積，對比后選優。

5) 進行詳細的結構設計，最關鍵的是進行閥芯形面曲線的計算。

6) 建立仿真計算模型，進行流體及結構的仿真計算，根據結果進行結構修正。

7) 試驗驗證。

5結論與展望

1) 多級串聯調節閥是解決小流量、高壓差含固體介質惡劣工況氣蝕問題的有效方法之一，本文設計的串式多級降壓調節閥性能較為理想。

2) 仿真計算可得到較為準確的流場分布，用于驗證理論設計，從而提高工作效率。

3) 若通過計算機編程，實現多種方案的計算和分析、閥芯形面的計算及形面曲線的自動繪制，將能大幅提高設計工作效率。

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[10]謝玉東，王勇，劉延俊.調節閥技術研究綜述.化工自動化及儀表，2012，39(09)： 1111-1114.

西門子自配置網絡助力工業通信未來發展

在2015年漢諾威工業博覽會(Hannover Messe 2015)上，西門子將展示一個正處于初期階段的創新項目，即“輕松通信”(Effortless Communication)： 其目的是簡化機器和工廠網絡的安裝、測試與升級。為此，地址的分配由工程系統轉移至自動化設備。這樣，設備可自動分配地址，無需配備地址服務器這樣的中心實體。此外，系統可以簡化遠程維護服務的部署，并增強其安全性。該項目成果可能被納入未來生產網絡的創建與運行中。

較之辦公應用，自動化領域的網絡應用配有數量更多的服務器。例如，每個聯網的I/O模塊都代表自己的服務器，可以提供并接收過程數據，同時還需要連續提供診斷信息。這是“Effortless Communication”項目的初衷，通過上述方式，用戶可以調用控制器和I/O設備等網絡元件的技術設備名稱，而不是難記的網絡地址和路徑。地址分配由實際的自動化設備以分散方式進行自動處理，使得用戶能以“即插即生產”的方式隨時置換或添加設備，而無需任何特殊的現場工程或網絡專業知識。甚至將工廠全部組件靈活地嵌入制造場景也將成為可能。因而，在工廠新組件的調試和認證過程中，無需任何額外的網絡設備就可以完成獨立操作。然后，自動化設備運行系統支持對孤立網絡的自動網絡重新編號，以適應工廠網絡的尋址。

該創新項目可使設備操作人員或系統集成人員受益匪淺，通過自動地址分配，他們可以根據需要將量產機器集成于網絡，而不必為其中的每臺量產機器分別調試網絡設置。這里，自動設施通過有效避免重復地址，確保量產機器的安全并行操作。另外，對網絡地址進行準確無誤的自動分配，還可以簡化遠程維護服務，并增強其安全性： 地址分配系統支持自動安裝遠程服務接入點或防火墻等安全設施。因而，可以將防火墻規則設計得簡單直接、系統化、并且嚴格到極致。(西門子(中國)有限公司)

Design and Numerical Simulation of High Pressure Difference with Micro-flow Control Valve

Chen Gang1， Shen Xiaokun2

(1. Sinopec Yizheng Chemical Fibre Company Ltd., Yizheng, 211900, China；

2. Wuxi SMART Auto-control Engineering Co. Ltd.,Wuxi,214112, China)

Abstract：One micro-flow control valve is designed aiming at problems of mechanical vibration, stem breakage, erosion of sealing surface, noises and so on caused by flashing or cavatition of control valve under working condition of high pressure difference (>10MPa) and micro-flow rate (Cspan<0.1).Stationary distribution of pressure drop among multi-stage is realized with combination of applying orifice plate as throttling elements and multi-stage pressure drop. Flashing, cavatition and erosion in sealing area are reduced efficiently. The key dimensions of valve internals are determined by theoretical calculation. CFD software is used to calculate fluid conditions inside valve. The result of numerical simulation and flow test show theoretical calculation is accurate and numerical simulation is reliable.

Key words：multi-stage pressure drop; high pressure difference; control valve; numerical simulation

中圖分類號：TP214

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0054-05

作者簡介：(1981—),就職于中國石化儀征化纖股份有限公司，主要從事儀表管理和自動控制研究工作。

稿件收到日期： 2014-11-25。