石化裝置抗汽蝕控制閥流場(chǎng)特性研究

葉曉節(jié) 吳 鍇 徐亭亭 王 渭 明 友 陳鳳官 耿圣陶 余宏兵

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院；3.合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司）

抗汽蝕控制閥廣泛應(yīng)用于石化等流程工業(yè)高壓差液體介質(zhì)的流量控制， 如鍋爐高壓供水、延遲焦化的切焦系統(tǒng)高壓供水、煉油廠冷熱高分油的流量調(diào)節(jié)等［1］。在實(shí)際工藝中，這類控制閥面臨著較高的壓降工況，容易遭受汽蝕破壞［2，3］。 當(dāng)流道中的液體壓力降到飽和蒸氣壓以下時(shí)，部分液體會(huì)發(fā)生閃蒸，形成氣液共存現(xiàn)象；當(dāng)閥后壓力上升到飽和蒸氣壓以上時(shí)， 則會(huì)發(fā)生汽蝕，汽蝕伴隨著氣泡破裂，大量氣泡破裂產(chǎn)生的能量沖擊在閥芯、閥座等閥內(nèi)件上，造成閥內(nèi)件損壞，致使閥門無(wú)法正常工作。 因此，要求該類控制閥具有良好的抗汽蝕能力，同時(shí)能降低流速并抑制振動(dòng)，減小金屬內(nèi)件的疲勞和損傷，以延長(zhǎng)使用壽命［4～9］。抗汽蝕控制閥的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于閥內(nèi)介質(zhì)壓力的合理分配，裘葉琴提出壓降逐級(jí)減半的設(shè)計(jì)方法，但未提出相關(guān)依據(jù)［10］；耿圣陶等提出基于孔板降壓模型假設(shè)的介質(zhì)壓力分配方法，并做了驗(yàn)算［11］。

筆者將對(duì)串聯(lián)多級(jí)抗汽蝕控制閥的壓力分配方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究孔板降壓模型對(duì)刻槽式降壓結(jié)構(gòu)壓降計(jì)算的適應(yīng)性以及刻槽式內(nèi)件抗汽蝕控制閥的流場(chǎng)特性。

1 流場(chǎng)數(shù)值模擬

1.1 邊界條件設(shè)置

通過(guò)流體力學(xué)計(jì)算軟件CFD的模擬計(jì)算，可以清晰了解閥門內(nèi)部流場(chǎng)特性，輔助判斷設(shè)計(jì)的合理性，應(yīng)用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的前期設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程，可以減少新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的試錯(cuò)成本［12］。

本項(xiàng)目研究的串聯(lián)多級(jí)控制閥刻槽式內(nèi)件結(jié)構(gòu)如圖1所示，CFD建立的控制閥流域模型如圖2所示。

圖1 串聯(lián)多級(jí)節(jié)流控制閥刻槽式內(nèi)件結(jié)構(gòu)

圖2 刻槽式控制閥流域模型

流體模擬計(jì)算中，湍流模型的設(shè)置會(huì)直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。 本研究采用k-ε模型（屬于二方程模型），適合完全發(fā)展的湍流，收斂速度快，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較低。 模擬依據(jù)GB/T 30832—2014《閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，左側(cè)端面為進(jìn)口，右側(cè)端面為出口，其余各面為壁面，計(jì)算設(shè)置如下：

介質(zhì)類型 水

介質(zhì)密度 1 000 kg/m3

粘度 8.899×10-4Pa·s

溫度 25 ℃

進(jìn)口邊界 總壓

出口邊界 靜壓

壁面邊界 光滑壁面

湍流模型 k-ε

1.2 網(wǎng)格收斂性分析

在有限元分析中，網(wǎng)格的收斂性分析是必須進(jìn)行的前期工作。 為了驗(yàn)證所設(shè)置網(wǎng)格質(zhì)量是否達(dá)到要求，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，劃分的流域網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 流域網(wǎng)格劃分

出口流量作為流場(chǎng)分析的關(guān)鍵參數(shù)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性在一定程度上可以代表計(jì)算的可靠性。本次計(jì)算將通過(guò)增大網(wǎng)格數(shù)量，比較出口流量穩(wěn)定性來(lái)確定最終使用的網(wǎng)格劃分方法，不同網(wǎng)格劃分方法得出的出口流量收斂性見(jiàn)表1， 可以看出隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，出口流量呈現(xiàn)先增大后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)，最終流量變化不超過(guò)±0.4%。

表1 網(wǎng)格收斂性分析

為了兼顧計(jì)算效率及計(jì)算精度，以表1序號(hào)3的網(wǎng)格劃分方法作為后續(xù)計(jì)算統(tǒng)一的網(wǎng)格劃分方法。

2 流場(chǎng)試驗(yàn)研究

從圖1可以看出，控制閥由閥芯、閥座、消能室及閥體等組成，驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)閥芯做上下運(yùn)動(dòng)，隨著閥芯的運(yùn)動(dòng)，閥芯與消能室各級(jí)平臺(tái)形成不同流通面積的開(kāi)度，從而達(dá)到降壓的目的。 閥門流量試驗(yàn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 30832—2014，閥門樣機(jī)試驗(yàn)按該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)架如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架布置

被測(cè)閥門流量系數(shù)Kv的計(jì)算式如下：

將所測(cè)閥門裝上試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，按照流程進(jìn)行試驗(yàn)得出式（1）中的各個(gè)參數(shù)，并代入式（1）、（2）求得各開(kāi)度下的流量系數(shù)（表2）。

表2 試驗(yàn)Cv值

3 流場(chǎng)對(duì)比分析

3.1 刻槽式內(nèi)件流量特性研究

不同閥門開(kāi)度下的Cv變化趨勢(shì)如圖5所示，可以看出， 模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果整體趨勢(shì)相同，差值在±6%左右，模擬值與實(shí)際試驗(yàn)值具有較好的吻合度，模擬結(jié)果能較好地反映實(shí)際流場(chǎng)情況，由此可進(jìn)一步證明模擬的正確性。

圖5 不同閥門開(kāi)度下的Cv變化趨勢(shì)

相對(duì)流量系數(shù)表示某開(kāi)度下的流量系數(shù)與額定流量系數(shù)的比值， 閥門流量特性圖表示開(kāi)度與相對(duì)流量系數(shù)之間的關(guān)系， 能很好地反映閥門的調(diào)節(jié)特性。流量調(diào)節(jié)特性一般分為等百分比、線性和快開(kāi)特性。 本研究?jī)煞N方法所得流量特性如圖6所示，閥門在整個(gè)調(diào)節(jié)開(kāi)度條件下呈近似線性關(guān)系，閥門在同樣開(kāi)度變化值下，小流量時(shí)流量變化值相對(duì)較大，大流量時(shí)流量變化值相對(duì)較小。這種線性調(diào)節(jié)特性在全開(kāi)度范圍內(nèi)都具有一定的調(diào)節(jié)能力，尤其在小開(kāi)度時(shí)調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。

圖6 不同閥門開(kāi)度下的閥門流量特性

3.2 壓降特性研究

串聯(lián)多級(jí)節(jié)流式抗汽蝕控制閥在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先需要解決高壓差降壓?jiǎn)栴}，因此閥門內(nèi)流場(chǎng)壓力分布是一大關(guān)鍵分析點(diǎn)。 降壓控制閥在各開(kāi)度條件下的壓力場(chǎng)分布如圖7所示。

圖7 刻槽式控制閥各開(kāi)度下的壓力場(chǎng)分布

從圖7所示的控制閥各開(kāi)度下的壓力場(chǎng)分布可以看出， 由于閥門內(nèi)件采取三級(jí)降壓結(jié)構(gòu)，介質(zhì)經(jīng)過(guò)節(jié)流面后逐級(jí)降壓，通過(guò)固定點(diǎn)取壓力值得出的各級(jí)壓降見(jiàn)表3， 各級(jí)壓降比近似為40%∶40%∶20%。 如果通過(guò)理論計(jì)算將該種降壓結(jié)構(gòu)近似為孔板降壓模型，對(duì)應(yīng)其節(jié)流面積之比，壓降比應(yīng)為45%∶45%∶10%，可見(jiàn)刻槽式結(jié)構(gòu)與孔板式降壓模型較為相符，可做近似等效。

表3 不同開(kāi)度下的壓降分布

3.3 速度特性研究

如圖8所示， 控制閥流場(chǎng)內(nèi)最大速度出現(xiàn)在壓差最大區(qū)域，各開(kāi)度下刻槽式內(nèi)件產(chǎn)生的沖蝕破壞主要集中在消能室臺(tái)階處，尤其是在消能室一級(jí)臺(tái)階與閥芯刻槽交匯處；在小開(kāi)度下，由于一級(jí)壓降比降低，二級(jí)壓降比增高，最大速度出現(xiàn)在消能室二級(jí)臺(tái)階與閥芯刻槽交匯處，此時(shí)此處較易受到?jīng)_刷，產(chǎn)生破壞。 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮是否需要強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

4.1 由于抗汽蝕控制閥工況惡劣，閥內(nèi)部流動(dòng)特性很難被實(shí)時(shí)觀測(cè)。 通過(guò)流量特性數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值的對(duì)比可知，通過(guò)準(zhǔn)確的邊界條件及求解格式的設(shè)置，能夠有效反映控制閥內(nèi)部流場(chǎng)的特性，節(jié)省大量設(shè)計(jì)成本。

4.2 通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，研究了孔板降壓模型對(duì)于刻槽式內(nèi)件壓降計(jì)算的適應(yīng)性。 結(jié)果表明，數(shù)值模擬各級(jí)壓降比為40%∶40%∶20%，孔板降壓模型計(jì)算各級(jí)壓降比為45%∶45%∶10%，兩者結(jié)果具有較好的吻合度。 因此在設(shè)計(jì)初期可以依據(jù)孔板降壓模型進(jìn)行壓降比計(jì)算，通過(guò)壓降比求得對(duì)應(yīng)節(jié)流面積比，完成控制閥內(nèi)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.3 根據(jù)閥門內(nèi)部速度場(chǎng)的分布可知，刻槽式內(nèi)件的沖蝕破壞主要集中在消能室臺(tái)階處，并且隨著閥門開(kāi)度的減小，沖蝕破壞有向消能室二級(jí)臺(tái)階與閥芯交匯處轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)化。