超超臨界水位調節閥流量特性研究

于海波　沈明啟

摘要：本文介紹了使用ANSYS CFX軟件對超超臨界水位調節閥進行流量特性分析的方法

關鍵詞：超超臨界；調節閥；流量特性

引言

現代工業，調節閥有著非常重要的地位和作用，它是形成工業自動化系統的重要組成部分，這些系統無論是實現能量的交換，還是壓力的轉變等都需要使用調節閥去實現控制。調節閥是控制元件的最主要的型式之一，按功能分，其主要類型包括穩定壓力用調節閥、V型缺口單座閥和雙座閥調節閥、隔膜閥、蝶閥、球閥、套筒閥、偏心旋轉閥、精小型調節閥、全功能超輕型閥等。

超超臨界水位調節閥安裝在1000MW超（超）臨界發電機組儲水罐與冷凝器之間的管道上，它的主要目的是當系統處于鍋爐加水，清洗和鍋爐啟動階段時，在出現儲水罐水位超過系統安全限值的情況下，通過水位調節閥向冷凝器疏水以防止水位超標，保護系統的安全性和順利運行。鍋爐在濕態運行時，省煤器入口的最低安全流量由水泵來進行控制，當儲水罐水位在運行過程中需要調節時，則要啟動循環泵出口的調節閥進行調節，隨著水位逐步提高，儲水罐液位則將通過安裝在儲水罐處的水位調節閥進行液位調整和控制。

1.流量特性類型

流量特性是指閥門在不同的相對開度下，流量與位移的曲線關系，因此可以得出閥門的流量取決于閥門的壓降，比如可以通過改變調節閥閥瓣和閥座密封面間的間隙面積來調節流量。流量特性一般有五種形式包括線性特性、平方根特性、等百分比特性、雙曲線特性、快開特性等，目前大多數的調節閥都是采用線性和等百分比特性。

直線特性即調節閥的流量變化與閥桿的行程成線性關系，是一種最理想的特性，因為在壓降過程中，流量特性是一個恒定的常數。直線特性在閥門開度較小時，其流量變化速度較快，調節流量的幅度比較強，在開度進一步增加后，流量變化速度較慢，調節流量的幅度就較小開度時小，調節的時效性不夠。

等百分比特性是應用比較廣泛的流量特性關系，其變化規律是一個數值確定的百分比。等百分比特性在閥門開度較小時，流量也比較小，變化值也相對較小，調節閥的調節作用比較穩定，在開度較大的場合，流道的流量也比較大，其調節比較迅速，靈敏度較高。與直線特性相比，當閥門的開度一定時，其流量比直線特性小。

安裝流量特性是指閥門安裝后的實際流量特性，它不是在恒定壓降下進行研究的，其壓降隨著流量的變化而變化。在系統中，閥門安裝后，管道和設備兩端產生壓降損失，壓降損失由靜壓頭損失和動壓頭損失組成，流量動壓頭損失曲線稱為系統阻力曲線，對曲線進行分析可以得出以下結論：

1.1如果系統安裝有壓力泵，調節閥的壓降則等于系統在額定流量下丫頭損失的33%；

1.2如果系統安裝有離心壓縮機，壓降值為吸入段壓力的百分之五，或者為系統壓力損失的一半。

1.3在僅有靜壓力的情況下，介質從壓力容器流向另一個容器里，調節閥壓降為壓力較低端的百分之十，或者為系統壓力損失的一般。

1.4安裝在透平、再熱器等整齊管道上的調節閥，其壓力降要到達設計壓力的百分之十。

1.5當調節閥壓力降所占系統壓力降的比例較小時，其安裝流量特性為快開式，具有線性特性的閥門調節性能則出現較大變化，不能夠滿足調節特性的基本要求，具有等百分比特性的閥門調節性能則在形狀上更加接近直線型，更加適合調節需求。

2.ANSYS CFX軟件簡介

ANSYS CFX是目前世界范圍內規模最大，最專業的的商業CFD軟件，其可計算的物理問題包括各種流動如亞臨界、超臨界等、傳熱如導熱、多相流如歐拉和拉格朗日粒子、化學反應和燃燒等多組分問題，還擁有諸如氣蝕、流動耦合、沸騰、相間傳質、多重旋轉坐標系、非牛頓流、并行計算、二次系統開發、真實氣體等大批復雜現象的實用模型。在湍流模型中，納入了RANS模型、SST模型、DES模型、LES模型等。

3.基于ANSYS CFX的流體性能分析

3.1建立有限元模型

根據閥門的開關特性及結構的對稱性，利用SOLIDWORK建立調節閥開度10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%及100%的1/2流體模型。

3.2網格劃分

根據不同開度的網格參數，包括網格大小、局部網格數量、節流位置參數、總網格數等進行網格劃分。

3.3 求解

將在ANSYS ICEM CFD劃分的有限元模型，導入ANSYS CFX Pre中，并根據不同開度下選擇入口參數、出口參數、收斂方式進行初始條件設置，選擇湍流模型，經分析，其最終過程為收斂。

4.結論

根據得到的結果，計算得到流阻和流通能力，通過理論計算與分析Kv對比分析可知，使用ANSYS CFX軟件進行流量特性分析的結果滿足等百分比要求，與理論計算曲線吻合度很高。因此，采用ANSYS CFX分析流通能力的方法是合理的、正確的。

參考文獻：

[1]王松嶺等.流體力學[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]孫紀寧.ANSYS CFX 對流傳熱數值模擬基礎應用教程[M].北京：國防工業出版社，2010.

作者簡介：于海波（1983-），男，工程師，從事閥門技術工作。