大喉徑煤液化高壓差角閥內部流場優化分析

張 寶，喬 元，孫 祝

(國家能源集團鄂爾多斯煤制油分公司， 內蒙古鄂爾多斯 017200)

高壓差角閥作為煤液化裝置中的關鍵閥門，其所處工況具有溫度高、壓差大、介質含固量高、沖刷強、腐蝕嚴重、部分介質呈現氣液固三相混合的特點，使用環境十分惡劣[1-3]。惡劣的工況環境使得閥門故障成為常態化。目前國內外高壓差角閥生產廠家通過對閥內件材料進行加工硬化處理等方法使得高壓差角閥的使用壽命有了較大的提高[4]，但是實際目前市場上高壓差角閥及內件的使用壽命絕大多數仍不足1 a，極大地限制了工藝裝置的連續化生產，大大增加了生產成本。

由于煤化工生產規模的增加，高磅級、大喉徑高壓差角閥已逐漸應用于煤液化工藝的某些關鍵位置上。對于這類閥體，由于喉徑較大，閥芯的體積與質量成倍增加。閥芯質量的增加不僅使得生產成本大大增加，而且也使得閥桿在閥內流體的沖擊下更易產生振動。對于大喉徑高壓差角閥，節流口流通截面積迅速增加，使得流體流經閥芯末端后流場變得十分復雜，從而發生側沖的可能性大大提高。

對于高壓差角閥，流體流入閥體內在其內部進行整流混合后，再流入閥頭與閥座之間形成的節流口，故閥體的形狀、大小會影響流入節流口時流體的速度分布。筆者嘗試通過調整閥體結構，使得節流口處流體速度分布盡量均勻，使得在較大的開度范圍內閥座處均不會發生側沖，從而延長閥座的使用壽命。利用SolidWorks三維軟件建立高壓差角閥流道模型，利用Fluent軟件對不同閥體結構的高壓差角閥進行三維流場模擬，從而為高壓差角閥的進一步優化設計提供理論依據。

1 數值模擬

1.1 模型建立

圖1為某DN300口徑、150 mm喉徑的高壓差角閥結構。在原始結構的基礎上進行了一定的改進，又設計了2種結構。改進結構1將腔體下半部擴大，使流體在進入節流口前有較大的空間進行整流混合，改進結構2則在腔體下半部增加了導流段，從而影響進入節流口的流體的速度方向。

圖1 高壓差角閥模型結構

3種結構出、入口距中心線距離保持不變，分別建立3種結構在30%、50%、70%開度下的模型結構并進行研究，模型網格數量見表1。原始結構在30%開度下流道網格劃分見圖2。

表1 模型網格數量

圖2 流道網格

1.2 參數設置

選用k-ε標準湍流模型對流場模型進行求解[5]，以液態水為介質，計算條件見表2。

表2 k-ε湍流模型計算條件

2 數值模擬結果分析

2.1 流場速度分布

圖3～圖5為3種結構在3個開度下的對稱面的速度矢量云圖。從圖3～圖5中可以看到：對于原始結構，由于節流口流通截面積迅速增加，流體流經閥芯末端后流場變得十分復雜，3個開度下出口處均存在明顯側沖；對于改進結構1，雖然在50%開度下出口處流體流動較為均勻，但在出口處形成了2個旋渦，而在30%開度和70%開度下仍然發生側沖，且側沖角度相對于原始結構并沒有明顯改善；對于改進結構2，增加導流段后，出口段流體的流動情況有了較明顯的改善，在50%開度和70%開度下都呈現出良好的流動效果，僅在30%開度下發生了側沖。

圖3 30%開度下速度矢量云圖

圖4 50%開度下速度矢量云圖

圖5 70%開度下速度矢量云圖

表3為提取速度云圖中不同開度下的最大速度。

表3 最大速度

從表3可以看出：相對于原始結構，2種改進結構的最大速度在不同開度下均有所下降，由于最大速度在節流口處，節流口處的最大速度越小，則表明流體對閥芯和閥座的沖刷作用越小。

2.2 流場壓力分布

3種結構在30%、50%、70%開度下的壓力云圖見圖6～圖8。從圖6～圖8可以看出：當流體流至閥頭與閥座之間時，流通截面積迅速減小，壓力也迅速降低，流過閥座后，壓力有所回升，不同結構閥體壓力分布規律差別不大。

圖6 原始結構壓力云圖

圖7 改進結構1壓力云圖

圖8 改進結構2壓力云圖

3種結構的入口壓力見表4。從表4可以看出：30%開度下入口壓力相比原始結構有所提高，但是50%開度、70%開度下的最大壓力同樣有所下降。這可能是由于結構的改變導致流量系數變化較大，所以在不同開度下不同結構入口壓力的變化無明顯的規律，但對比2種改進結構可發現，改進結構1的入口壓力明顯比改進結構2的入口壓力高。

表4 入口壓力

3 結語

以某DN300口徑、150 mm喉徑的高壓差角閥結構為基礎，設計了2種改進結構，其中改進結構1擴大了腔體下半部，改進結構2在節流口上增加了導流段。通過數值模擬計算的方法對3種結構的流場進行了研究，得到的結論如下：

(1) 對比速度矢量云圖可以發現，對于改進結構1，側沖角度相對于原始結構并沒有明顯改善；對于改進結構2，出口段流體的流動情況有了較為明顯的改善，在50%開度和70%開度都呈現出良好的流動效果，僅在30%開度下發生了側沖。

(2) 相對于原始結構，2種改進結構的最大速度在不同開度下均有所下降，由于最大速度在節流口處，節流口處的最大速度越小，表明流體對閥芯和閥座的沖刷作用越小。

(3) 3種結構閥體壓力分布規律差別不大。改進結構相對于原始結構，入口壓力的變化不明顯。改進結構1的入口壓力明顯高于改進結構2的入口壓力。