高压差微小流量调节阀的设计与仿真.pdf

第 5 1 卷第 2 期 2 0 1 5年 4月 石油化工自动化 AUT0M AT1 0N I N P ETR _ CH E M I CAL I NDUS TRY Vo1 ．5 1，No ．2 Apr i l ，201 5 高压差微小流量调节阀的设计与仿真 陈刚 ， 沈小垄2 1 ．中国石化仪征化纤股份有限公司， 江苏 仪征 2 1 1 9 0 0 ； 2 ．无锡智能自控工程股份有限公司， 江苏 无锡 2 1 4 1 1 2 ， C h i n a 摘要 针对高压差 大于 1 0 M P a 、 微小流量 C v 1 0 MPa a n d mi c r o f l o w r a t e C v 0 ．1 ．S t a t i o n a r y d i s t r i b u t i o n o f p r e s s u r e d r o p a mo n g mu l t i s t a g e i s r e a l i z e d wi t h c o mb i n a t i o n o f a p p l y i n g o r i f i c e p l a t e a s t h r o t t l i n g e l e me n t s a n d mu l t i s t a g e p r e s s u r e d r o p ． F l a s h i n g，c a v a t i t i o n a n d e r o s i o n i n s e a l i n g a r e a a r e r e d u c e d e f f i c i e n t l y ．Th e k e y d i me n s i o n s o f v a l v e i n t e r n a l s a r e d e t e r mi n e d b y t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n ．CF D s o f t wa r e i S u s e d t o c a l c u l a t e f l u i d c o n d i t i o n s i n s i d e v a l v e ． Th e r e s u l t o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n a n d f l o w t e s t s h o w t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n i S a c c u r a t e a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n i S r e l i a b l e ． Ke y w o r d s mu l t i - s t a g e p r e s s u r e d r o p ；h i g h p r e s s u r e d i f f e r e n c e ；c o n t r o l v a l v e ；n u me r i c a l s i mu l a t i o n 随着工业的迅猛发展 ， 高压差和小流量工况在 石油 、 化工 、 冶金、 电力等工业生产装置中的应用 日 趋普遍 ， 从安全生产的角度 出发， 介质的控制执行 元件一调节阀的有效性 和可靠性尤为重要 。调 节阀的冲刷 、 闪蒸 、 气蚀， 致使其寿命缩短 ， 重要装 置上通常选用 国外进 口产 品， 但其价格 昂贵 、 维修 成本高 、 供货周期长 。国内很多专家进行了相关研 究_ 卜 3 ] ， 尝试使用不同的结构， 但未提出较 明确的理 论计算公式 。 高压差、 小流量 阀门易出现气蚀和振动， 其主 要失效模式 阀杆断裂 、 阀内件冲刷严重 、 密封面 失效 、 连接处脱落 ， 进而导致调节 阀无法控制或失 效。特殊工况下 ， 该 调节阀除满足准确调节性 能 外 ， 恰当的选材可提高零部件表面抗 冲刷 的能力 。 合理的结构设计能够均衡压差 ， 从而减小介质对阀 内件的气蚀和冲刷， 提高 阀门的使用 寿命 ， 故多采 用多级降压结构。 多级降压通常可采用多级套筒式 、 迷宫式、 多 级串式、 叠板集成块式节流组件调节阀。多级套筒 调节 阀具有一级或者两级降压套 ， 优点是阀门流阻 小、 流通能力大 、 可调 比大 ， 缺点是实际运用 中抗气 蚀能力差 。减小 阀芯尺寸 ， 做成针式结构， 材料表 面经过硬化处理 ， 可满足微小流量要求 ， 但结构必 须能承受高压差带来 的冲刷、 振动， 且阀杆尺寸非 常小 ， 极易发生断裂 。迷宫阀能使介质通过曲折 的 流道时降低流速 ， 从而减小气蚀 ， 但带颗粒介质易 堵塞 ， 且加工成本高 ， 阀芯与迷宫套筒之间存在较 大的配合间隙， 影响调节精度 。叠板集成块式调节 稿件收到 日期 2 0 1 4 1 卜 2 5 。 作者简介 1 9 8 1 一 ， 就职 于 中国石化仪征 化纤股 份有 限公司 ， 主 要从事仪表管理 和 自动控制研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 陈刚等．高压差微小流量调节阀的设计与仿真 阀与迷宫阀相似 ， 每个小窗 口的流量系数都会超过 0 ． 1 ， 且 阀芯与迷宫套筒有较大间隙。因此 ， 上述三 种结构不能满足高压差 ， 微小流量的要求 。 若采用多级串式降压 ， 因各 级的压差减小 ， 相 同流量要求时， 可选择较大 的阀芯直径 ， 且每一级 节流后均有较大的缓冲空间， 避免了对阀内件的撞 击 ， 大幅增加了结构 的可靠性 ， 能实现各级压降 的 精确控制 ， 可适用于流体清洁度不高 ， 甚至两相流 的场合 ， 制作工艺相对简单 。然而国内外 尚无关于 该类多级降压调节 阀的准确理论计算公式 。笔者 通过理论计算结合 数值模拟设计 了一种适合高压 差 、 微小流量的调节 阀， 并结合流量试验验证了设 计 的准确性。 1 理论计算 1 ． 1 阻塞流 当阻塞流产生时 ， 必然产生闪蒸 、 气蚀 ， 会 降低 零部件的使用寿命 ， 甚至造成密封面的损坏 ， 产生 内漏 。 对于压差较大的应用场合 ， 须确保通过多级降 压 ， 介质通过每一降压段时的压力不小于液体的饱 和蒸汽压 ， 压差均小于阻塞流压差 ， 如式 1 所示 。 A p m ． 一 F 己 1 一 F r P v 1 式中 F。 液体压力恢复系数 ， 调节阀取 0 ． 9 5 ； F F 液体的临界压力比系数 ， F 一O ． 9 6 0 ． 2 8 v ／ p c ／ ； P 人 口温度下 液体蒸汽 的绝对 压力 ， MP a ； P c 绝对热力学临界压力 ， MP a ， 对 于水 P c 一2 2 ． 1 2 MP a 。 1 ． 2多级降压原理 采用一级 降压 时 ， 降压 过 程 中， 压 力 会小 于 介质饱 和蒸 汽压 ， 从 而产生 闪蒸 ， 随着 阀 门压 力 恢复至介 质 的饱 和蒸汽 压 以上 ， 阀 门出现 气蚀 ， 对阀内表 面、 密封面等产生 破坏 。降压原理 如 图 1所 示 。 介质路径 图 1 降压原理示意 采用多级降压 ， 介质压力逐渐下降， 始终不低 于介质的饱和蒸汽压 ， 避免产生一级降压时的闪蒸 和气蚀问题 。 1 ． 3 阀门技术参数 以某高压阀为例 ， 进行设计与仿真， 其工艺 参 数见表 1 所列。 表 1 某高压阀工艺参数 参 数 数 据 介质名称 介质温度／ ℃ 介质密度 ／ k g m 饱和蒸汽压 p v ／ k P a 运动黏度 ／ m2 s 阀前压力 p 1 ／ MP a A 阀后 压力 P 2 ／ MP a A q m rn a ／ k g S q m／ k gs q , ． m i ／ k g S 阀门通径 1 ． 4 设计计算 1 ． 4 ． 1 计算流阻系数和初定 阀门结构 阀门流阻系数与 阀门结 构形式有 关， 计算 公 式为 声一 2 p A p A r 2 “1 ‰ ～ 式 中 A p阀门进出口之间的压差， P a ； |0 介质的密度 ， k g ／ m。 ； A阀门内流道面积或进 出 口管道面积， m ； q m 流体质量流量 ， k g ／ s 。 工况流阻 系数见 表 2所列 。流 阻较 大 ， 初 定 为多级 串式降压结构 ， 如 图 2所示 ， 工作原理 前 端孔板节流、 多级串式降压、 后端多孔节流相结 合 ， 介质从入 口流人， 先经节流孔板， 部分降压； 再 经多级 串式降压 ， 每一级 降压之问均有较 大的 流体紊流缓 冲区， 旨在减小 介质 对 阀芯 的冲刷 。 多级降压后 ， 密封面 处承 担 的压 降较 小 ， 从而 达 到保护密封面 、 提 高阀门工作可靠性 的 目的。后 端节流孔用于稳定 阀后流场 ， 降压 的级数及 关键 尺寸须计算得出。 表 2 流 阻系数 调节阀的总压降等于各段压降的总和 Ap APl Ap2 Ap a ⋯ A p 3 8 O 5 淋m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油化工 自动化 第 5 1 卷 后端 节流 孔 阀芯 阀体 阀座 前端节流孔 图 2 多级 降压结 构示 意 1 ． 4 ． 2 流量系数计算 控制 阀技术参数如下 控制 阀类型 多级降压角阀； 阀内件 小流量等百分 比阀芯， 需多级降压 ； 流向流开 ； 控制 阀通径 D一2 5 mm； 控制阀修正系数 F d 一0 ． 3 ； 气蚀系数 Kc 一0 ． 8 5 。 根据文献[ 4 ] 中计算流量系数 的方法 ， 有 以下 步骤 1 先确定流态 Ap T Pl FF P V 1 4 0 1 0 ． 2 k P a 4 一 1 1 2 1 6 k P a 一 1 3 8 0 0 k P a P 、 ， 8 0 ． 8 k P a ， 所以 阀门处于初始气蚀阶段。 2 计算最大流量时的流量系数。首先采用以 下公式计算流量系数 K K v 一 鼎 -- F F p v 一 0 ． O 8 2 8 m 3 ／ h 5 由 C v与 Kv的关系可得出最大流量时流量系 数 C v o ． 0 9 6 6 ； 选取额定 一 0 ． 3 。 3 计算雷诺数 R e 一 而N 4F dqm 船 2 2 8 5 7 6 ． 5 7 6 因为控制阀雷诺数远大于 1 0 0 0 0 ， 所以流态时 紊流不需要更多的校正， 可采用该流量系数 。 4 流量系数经验公式。为简便地计算 流量系 数， 得出计算流量系数的经验公式 一 器 7 式中 K。 经验参数 ； 流阻系数 。 最大 流 量 时 的 C v代 入 式 7 ， 得 出 K。一 4 ． 9 1 ， 正常流量及最小流量同样满足， 因而该多级 降压阀流量计算公式为 Cv 8 普通单座阀的 K。 为 3 0左右， 初定降压级数约 为 6 级。流量系数与 q 的关系满足下 引 C 一 n| 卫 q 9 正常流 量 时， 一 0 ． 0 6 4 3 ；最 小 流量 时， C 一 0． 0 3 8 6。 1 ． 4 ． 3 关键参数计算 1 各级流量 系数关系。由式 3 ， 式 9 得 出 每级流阻系数的关系 A 嘉 ．．． 嘉 进而得出 1 一 毫 蠢 ⋯ 一 。 C 。 “ 式 中 C w阀座 流通 能 力 ；C 第 级 节 流流通能力 ， 为便 于计算 ， 假设 每级节流尺 寸 都相 同 ； 第 级节 流 板 流通 能 力 ； 为 便于计算 ， 假设 每 级 节流 板 尺寸 相 同 。取值 先 假定 ， 再 进 行 试 算 ， 确 保 流场 及 流量 系数 满 足 工 况 。 2 阀座流通能力 C v a一 T O Y “ 2 K1 1 2 式中 K 阀座流通系数 ， 取 2 2 ； r 阀座流 道半径 ， mm。 计算得 C 6 。 3 阀芯流通能力 ， 满足下式 C v c 1 3 厶 J ． 』 式 中C v c 阀芯 总 的 流 通 能力 ； K 阀芯 流 通 系 数 ， 查 手 册 ， 取 2 6 ； A 流 通 面 积 ， mm ， 阀芯处 的环形流通面积 ； 』 ＼ ， 降压级数 。 阀芯 有 四 级 节 流 降 压 ， 由 式 1 3 得 出 阀 芯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 陈刚等．高压差微小流量调节阀的设计与仿真 Cw 一 0．75 8 5。 4 孔板参数 1 1．4 ， 2 0 ． 3 一6 。0 ． 7 5 8 5 。 由式 1 4 得出 C v K一 0 ． 4 6 3 且 线 引， 各开度的等面积 曲线组成一组曲线 ， 取包 络 线 并利 用 线性 代 数 的相关 公 式求 解 ， 即得 阀芯 轮廓。 1 4 2 数值模拟 为校核理论计算 的准确性 ， 采用有限元计算软 C w 丽n n Kk 1 5 式中 孔的个数 ； Kk 孔板 的流通 系数 ， 取 2 3 ． 4 ； r k 每个孔 的半径 ， 取为 2 mm。 得出 一 4 ， 两个孔板 的孔错位分布 ， 以增大 压力损失 。 5 阀芯曲线。经过多级降压， 在阀座密封面 处的压降很小 ， 因而降低了流体对阀芯 阀座密封面 的损伤 。通过受力分析 ， 并考虑振 动、 冲刷等工况 可能造成 的阀杆不稳定等问题 ， 确定阀杆的直径为 1 2 mm 。 由式 1 1 ～ 1 5 得出各个开度时 ， 阀芯处的节 流面积 蓐 16 建立如图 3所示 坐标 系， 点 -z ， ， 7 ． 5 ， 1 o 组成直线 ， 流通面积 A 为该直线绕 Y轴组成 的锥 面面积 ， 满足 以下公式 A1 E 一 0 7 ． 5 一 ． 25 , 2 t n 0一 ， ． 一 式中 节流面与 z轴的夹角 。 1 7 1 8 图 3 流通面积计算示意 依据要求 的流量特性 ， 得 出各 开度 的流通 面 积 ， 根据式 1 7 ～ 1 8 得到某个 开度 的等面积 曲 件进行调节 阀的数值模拟试验 。 按照调节阀内腔流道建立计算模型， 依据文献 E 7 ] 及 J B ／ T 5 2 9 6 1 9 9 1 { 通用阀门流量系数 和流 阻系数 的试验方法 中关于流量试验的相关要求进 行边界条件设置， 调节阀的入 口与出口处管道加长 为公称管径 的 5倍 和 1 0倍 ， 设置出人 口设置为压 力边界 ， 压差为 MP a 。 选择 k - e p s i l o n湍流模 型， 并设 置相应 的流场 初始参数 。从 5 ， 1 0 ， ⋯， 1 0 0 开度 ， 共 2 O个 阀门开度进行计算 ， 得 出的额定流量 系数 为 0 ． 3 ， 与理论计算 值相 符 。流量 特性 曲线基 本满 足 等 百分 比特性 ， 如 图 4所示 。可 以看 出阀门开度 为 3 0 ～5 8 ， 满足调 节阀使用 要求 。正常开度 约 为 5 o ， 各 级 降 压 分 别 为 1 6 ． 5 ，1 7 ． 9 ， 1 9 ． 2 ， 1 8 ． 5 ， 8 ． 8 ， 0 ． 5 。两级孔板共 降压 3 4 ． 4 ， 从而大 幅减少 了阀芯尤其是 密封面处的 压差及冲刷， 提高了阀门的使用寿命。可选择不 同 阀芯直径 以及不 同阀芯 曲线进行 计算 ， 对 比结果 选优 。 3 试验验证 流量试验是检验阀门流通能力 ， 验证理论设计 准确性的重要方法 。将上述调节 阀产品 ， 安装至流 量试验设备上 ， 调整 阀前后 的压差至 0 ． 1 MP a ， 通 过流量计读取调节阀的流量 ， 换算成 值。得到 的结果与仿真数据进 行对 比， 差距 最大 为 8 ． 9 ， 如 图 4所示 。 行程 ／ mm 图 4 试验及仿真数据 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 石油化工 自动化 第 5 1卷 试验结果表明调节 阀满足工况要求 ， 数值计 算的参数设置较为准确 ， 数值模拟可以直接用于辅 助理论设计， 从而减少了设计时间成本及经济成本。 4 调节阀的设计流程 多级调节阀的设计较为繁琐 ， 涉及 的 内容较 多 ， 本文设计的调节阀经数值模拟及 流量试验验 证 ， 流量满足要求 ， 降压情况较为理想， 故总结调节 阀设计流程如下 1 根据工况参数 ， 得到阀门的流阻系数 ， 对 阀 门的类型及特点作初步的选择 。 2 进行介质流态判定 ， 计算流量系数 。 3 初定 阀座的直径 ， 从而计算出阀座 的流通 能力 。 4 通过压降关 系以及流量 系数公式， 得 出阀 芯的关键尺寸。多级降压阀通常要选择多种孔数 、 级数 、 阀芯节流面积 ， 对 比后选优 。 5 进行详细的结构设计 ， 最关键 的是进行阀 芯形面曲线的计算。 6 建立仿真计算模型， 进行流体及结构的仿 真计算 ， 根据结果进行结构修正。 7 试验验证 。 5 结论与展望 1 多级 串联调节阀是解决小流量 、 高压差含 固体介质恶劣工况气蚀问题的有效方法之一 ， 本文 设计的串式多级降压调节 阀性能较为理想 。 2 仿真计算可得到较为准确的流场分布 ， 用 于验证理论设计 ， 从而提高工作效率。 3 若通过计算机编程 ， 实现多种方案的计算 和分析 、 阀芯形面的计算及形 面曲线的 自动绘制 ， 将能大幅提高设计工作效率 。 参考 文献 [1 ] 孙坚． 高压调节 阀在设计 中常被 忽视 的汽蚀 问题 探讨 [ J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 8 ，3 6 1 1 4 1 4 4 ． 王燕． 多级套简调 节阀 消声减振 元件设计 研究 E J ] ． 流体机 械， 2 0 1 3 ， 4 1 O 7 I 9 2 3 ． 范学兵． 高压调节 阀的失效机 理分析 和管路 改造仿 真设计 l J ] ． 石油与化工设备 ， 2 0 1 2 ， 1 5 O 1 9 1 3 ． 王群增 ， 郑秋 萍 ， 王燕 ， 等． GB ／ T 1 7 2 1 3 ． 2 2 0 O 5工 业过程 调节 阀 第 2 1 部分 流通能力安装条件 下流体流量 的计算 公式 [ s ] ． 北京 中国标 准出版社 ， 2 0 0 6 ． 吴 国熙． 调节 阀使 用 与 维修 [ M] ． 北 京 清华 大 学 出 版 社 ， 2 0 0 4 ． 杨 明． 调节阀阀芯形面计算机辅助设计方法研究[ D] ． 宁夏 宁夏大学 ， 2 0 0 9 ． 王群增 ， 郑秋 萍 ， 王燕 ， 等． GB 1 7 2 1 3 ． 9 2 O O 5工 业过程 控 制 阀 第 2 3部分 流通能力试验程序E s ] ． 北京 中国标准出 版社 ， 2 0 0 6 ． 张月蓉 ， 王勇 ， 谢 玉东 ， 等． 大流量调 节阀瞬态模型建模方 法 研究E J ] ． 化工 自动化及仪表， 2 0 1 2 ， 3 9 0 2 2 3 6 2 4 0 ． 郑建章． 探讨调节阀的选 型及应 用E J 3 ． 化上 自动化及 仪表 ， 2 01 2， 3 9 0 7 8 4 18 4 3 ． 谢玉东， 王勇， 刘延俊． 调节阀技术研究综述E J ] ． 化工 自动 化及仪表 ， 2 0 1 2 ， 3 9 0 9 l 1 1 1 1 1 1 4 ． 西门子 自配置网络助 力工业通信未来发展 在 2 0 1 5 年汉诺威工业博览会 Ha n n o v e r Me s s e 2 0 1 5 上， 西门子将展示一个正处于初期阶段的创新项 目， 即“ 轻松通 信” E f f o r t l e s s C o mmu n i c a t i o n 其目的是简化机器和工厂网络的安装 、 测试与升级。为此， 地址的分配由工程系统转移至 自动化设备。这样， 设备可 自动分配地址， 无需配备地址服务器这样的中心实体。此外， 系统可以简化远程维护服务的部 署 ， 并增强其安全性 。该项 目成果可能被纳入未来生产网络的创建与运行 中。 较之办公应用， 自动化领域的网络应用配有数量更多的服务器。例如， 每个联网的 I ／ O模块都代表自己的服务器， 可以 提供并接收过程数据， 同时还需要连续提供诊断信息。这是“ E f f o r t l e s s C o mmu n i c a t i o n ” 项目的初衷， 通过上述方式， 用户可以 调用控制器和 I ／ 0设备等网络元件的技术设备名称， 而不是难记的网络地址和路径。地址分配由实际的自动化设备以分散 方式进行自动处理， 使得用户能以“ 即插即生产” 的方式随时置换或添加设备， 而无需任何特殊的现场工程或网络专业知识。 甚至将工厂全部组件灵活地嵌入制造场景也将成为可能。因而， 在工厂新组件的调试和认证过程中， 无需任何额外的网络设 备就可以完成独立操作。然后， 自动化设备运行系统支持对孤立网络的自动网络重新编号， 以适应工厂网络的寻址。 该创新项 目 可使设备操作人员或系统集成人员受益匪浅， 通过 自动地址分配， 他们可以根据需要将量产机器集成于网 络 ， 而不必为其中的每台量产机器分别调试网络设置。这里 ， 自动设施通过有效避免重复地址 ， 确保量产机器的安全并行 操作。另外， 对网络地址进行准确无误的自动分配 ， 还可以简化远程维护服务， 并增强其安全性 地址分配系统支持自动安 装远程服务接入点或防火墙等安全设施。因而， 可以将防火墙规则设计得简单直接、 系统化、 并且严格到极致。 西门子 中国 有 限公 司 ] ] ] ] ] ] ] ] ] 2 3 4 5 6 7 8 9 [ [ [ [ [ [ [ [rL 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m