陳剛,沈小堃

(1. 中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司，江蘇 儀征 211900；

2. 無(wú)錫智能自控工程股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214112，China)

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高壓差微小流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)與仿真

陳剛1,沈小堃2

(1. 中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司，江蘇 儀征 211900；

2. 無(wú)錫智能自控工程股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214112，China)

摘要：針對(duì)高壓差(大于10 MPa)、微小流量(Cspan<0.1)工況條件下，調(diào)節(jié)閥的閃蒸、空化容易造成閥芯振動(dòng)、閥桿斷裂、密封面沖刷、噪音大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種微小流量調(diào)節(jié)閥。采用孔板節(jié)流與多級(jí)降壓相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)級(jí)間壓降平穩(wěn)分布，有效降低了閃蒸、空化及密封面沖刷。通過(guò)理論計(jì)算，確定閥內(nèi)件的關(guān)鍵尺寸。運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行閥內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬，數(shù)值模擬及流量試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，理論計(jì)算較為準(zhǔn)確，數(shù)值模擬可靠。

關(guān)鍵詞：多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，高壓差和小流量工況在石油、化工、冶金、電力等工業(yè)生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用日趨普遍，從安全生產(chǎn)的角度出發(fā)，介質(zhì)的控制執(zhí)行元件——調(diào)節(jié)閥的有效性和可靠性尤為重要。調(diào)節(jié)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(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，但其價(jià)格昂貴、維修成本高、供貨周期長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)很多專家進(jìn)行了相關(guān)研究[1-3]，嘗試使用不同的結(jié)構(gòu)，但未提出較明確的理論計(jì)算公式。

高壓差、小流量閥門易出現(xiàn)氣蝕和振動(dòng)，其主要失效模式： 閥桿斷裂、閥內(nèi)件沖刷嚴(yán)重、密封面失效、連接處脫落，進(jìn)而導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥無(wú)法控制或失效。特殊工況下，該調(diào)節(jié)閥除滿足準(zhǔn)確調(diào)節(jié)性能外，恰當(dāng)?shù)倪x材可提高零部件表面抗沖刷的能力，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠均衡壓差，從而減小介質(zhì)對(duì)閥內(nèi)件的氣蝕和沖刷，提高閥門的使用壽命，故多采用多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)。

多級(jí)降壓通?？刹捎枚嗉?jí)套筒式、迷宮式、多級(jí)串式、疊板集成塊式節(jié)流組件調(diào)節(jié)閥。多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥具有一級(jí)或者兩級(jí)降壓套，優(yōu)點(diǎn)是閥門流阻小、流通能力大、可調(diào)比大，缺點(diǎn)是實(shí)際運(yùn)用中抗氣蝕能力差。減小閥芯尺寸，做成針式結(jié)構(gòu)，材料表面經(jīng)過(guò)硬化處理，可滿足微小流量要求，但結(jié)構(gòu)必須能承受高壓差帶來(lái)的沖刷、振動(dòng)，且閥桿尺寸非常小，極易發(fā)生斷裂。迷宮閥能使介質(zhì)通過(guò)曲折的流道時(shí)降低流速，從而減小氣蝕，但帶顆粒介質(zhì)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(diào)節(jié)精度。疊板集成塊式調(diào)節(jié)閥與迷宮閥相似，每個(gè)小窗口的流量系數(shù)都會(huì)超過(guò)0.1，且閥芯與迷宮套筒有較大間隙。因此，上述三種結(jié)構(gòu)不能滿足高壓差，微小流量的要求。

若采用多級(jí)串式降壓，因各級(jí)的壓差減小，相同流量要求時(shí)，可選擇較大的閥芯直徑，且每一級(jí)節(jié)流后均有較大的緩沖空間，避免了對(duì)閥內(nèi)件的撞擊，大幅增加了結(jié)構(gòu)的可靠性，能實(shí)現(xiàn)各級(jí)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(chǎng)合，制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。然而國(guó)內(nèi)外尚無(wú)關(guān)于該類多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥的準(zhǔn)確理論計(jì)算公式。筆者通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合數(shù)值模擬設(shè)計(jì)了一種適合高壓差、微小流量的調(diào)節(jié)閥，并結(jié)合流量試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

1理論計(jì)算

1.1阻塞流

當(dāng)阻塞流產(chǎn)生時(shí)，必然產(chǎn)生閃蒸、氣蝕，會(huì)降低零部件的使用壽命，甚至造成密封面的損壞，產(chǎn)生內(nèi)漏。

對(duì)于壓差較大的應(yīng)用場(chǎng)合，須確保通過(guò)多級(jí)降壓，介質(zhì)通過(guò)每一降壓段時(shí)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(fù)系數(shù)，調(diào)節(jié)閥取0.95；FF——液體的臨界壓力比系數(shù)，F(xiàn)F=0.96-0.28(pV/pC)1/2;pV——入口溫度下液體蒸汽的絕對(duì)壓力，MPa；pC——絕對(duì)熱力學(xué)臨界壓力，MPa，對(duì)于水： pC=22.12 MPa。

1.2多級(jí)降壓原理

采用一級(jí)降壓時(shí)，降壓過(guò)程中，壓力會(huì)小于介質(zhì)飽和蒸汽壓，從而產(chǎn)生閃蒸，隨著閥門壓力恢復(fù)至介質(zhì)的飽和蒸汽壓以上，閥門出現(xiàn)氣蝕，對(duì)閥內(nèi)表面、密封面等產(chǎn)生破壞。降壓原理如圖1所示。

圖1　降壓原理示意

采用多級(jí)降壓，介質(zhì)壓力逐漸下降，始終不低于介質(zhì)的飽和蒸汽壓，避免產(chǎn)生一級(jí)降壓時(shí)的閃蒸和氣蝕問(wèn)題。

1.3閥門技術(shù)參數(shù)

以某高壓閥為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，其工藝參數(shù)見表1所列。

表1　某高壓閥工藝參數(shù)

1.4設(shè)計(jì)計(jì)算

1.4.1計(jì)算流阻系數(shù)和初定閥門結(jié)構(gòu)

閥門流阻系數(shù)與閥門結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，計(jì)算公式為

(2)

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

工況流阻系數(shù)見表2所列。流阻較大，初定為多級(jí)串式降壓結(jié)構(gòu)，如圖2所示，工作原理： 前端孔板節(jié)流、多級(jí)串式降壓、后端多孔節(jié)流相結(jié)合，介質(zhì)從入口流入，先經(jīng)節(jié)流孔板，部分降壓；再經(jīng)多級(jí)串式降壓，每一級(jí)降壓之間均有較大的流體紊流緩沖區(qū)，旨在減小介質(zhì)對(duì)閥芯的沖刷。多級(jí)降壓后，密封面處承擔(dān)的壓降較小，從而達(dá)到保護(hù)密封面、提高閥門工作可靠性的目的。后端節(jié)流孔用于穩(wěn)定閥后流場(chǎng)，降壓的級(jí)數(shù)及關(guān)鍵尺寸須計(jì)算得出。

表2　流阻系數(shù)

調(diào)節(jié)閥的總壓降等于各段壓降的總和：

Δp=Δp1+Δp2+Δp3+…+Δpn

(3)

圖2　多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)示意

1.4.2流量系數(shù)計(jì)算

控制閥技術(shù)參數(shù)如下：

控制閥類型： 多級(jí)降壓角閥；

閥內(nèi)件： 小流量等百分比閥芯，需多級(jí)降壓；

流向： 流開；

控制閥通徑：D=25 mm；

控制閥修正系數(shù)：Fd=0.3；

氣蝕系數(shù)：KC=0.85。

根據(jù)文獻(xiàn)中計(jì)算流量系數(shù)的方法，有以下步驟：

1) 先確定流態(tài)：

(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?xì)馕g階段。

2) 計(jì)算最大流量時(shí)的流量系數(shù)。首先采用以下公式計(jì)算流量系數(shù)KV：

(5)

由CV與KV的關(guān)系可得出最大流量時(shí)流量系數(shù)CV=0.096 6；選取額定CV=0.3。

3) 計(jì)算雷諾數(shù)：

(6)

因?yàn)榭刂崎y雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于10 000，所以流態(tài)時(shí)紊流不需要更多的校正,可采用該流量系數(shù)。

4) 流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。為簡(jiǎn)便地計(jì)算流量系數(shù)，得出計(jì)算流量系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：

(7)

式中： K0——經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；ξ——流阻系數(shù)。

最大流量時(shí)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(jí)降壓閥流量計(jì)算公式為

(8)

普通單座閥的K0為30左右，初定降壓級(jí)數(shù)約為6級(jí)。流量系數(shù)與qm的關(guān)系滿足下式：

(9)

正常流量時(shí)，CV=0.064 3；最小流量時(shí)，CV=0.038 6。

1.4.3關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

1) 各級(jí)流量系數(shù)關(guān)系。由式(3)，式(9)得出每級(jí)流阻系數(shù)的關(guān)系：

(10)

進(jìn)而得出：

(11)

式中： CVd——閥座流通能力；CVCn——第n級(jí)節(jié)流流通能力，為便于計(jì)算，假設(shè)每級(jí)節(jié)流尺寸都相同；CVKn1——第n1級(jí)節(jié)流板流通能力；為便于計(jì)算，假設(shè)每級(jí)節(jié)流板尺寸相同。取值先假定，再進(jìn)行試算，確保流場(chǎng)及流量系數(shù)滿足工況。

2) 閥座流通能力：

(12)

式中： K1——閥座流通系數(shù)，取22；r——閥座流道半徑，mm。

計(jì)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(shù)，查手冊(cè)，取26；A1——流通面積，mm2，閥芯處的環(huán)形流通面積；N——降壓級(jí)數(shù)。閥芯有四級(jí)節(jié)流降壓，由式(13)得出閥芯CVC=0.758 5。

4) 孔板參數(shù)：

(14)

由式(14)得出CVK=0.463且

(15)

式中：n——孔的個(gè)數(shù)；Kk——孔板的流通系數(shù)，取23.4；rk——每個(gè)孔的半徑，取為2 mm。

得出n=4，兩個(gè)孔板的孔錯(cuò)位分布，以增大壓力損失。

5) 閥芯曲線。經(jīng)過(guò)多級(jí)降壓，在閥座密封面處的壓降很小，因而降低了流體對(duì)閥芯閥座密封面的損傷。通過(guò)受力分析，并考慮振動(dòng)、沖刷等工況可能造成的閥桿不穩(wěn)定等問(wèn)題，確定閥桿的直徑為12 mm。

由式(11)～(15)得出各個(gè)開度時(shí)，閥芯處的節(jié)流面積：

(16)

建立如圖3所示坐標(biāo)系，點(diǎn)(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(jié)流面與x軸的夾角。

圖3　流通面積計(jì)算示意

依據(jù)要求的流量特性，得出各開度的流通面積，根據(jù)式(17)～(18)得到某個(gè)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(luò)線并利用線性代數(shù)的相關(guān)公式求解，即得閥芯輪廓。

2數(shù)值模擬

為校核理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬試驗(yàn)。

按照調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔流道建立計(jì)算模型，依據(jù)文獻(xiàn) 及JB/T 5296—1991《通用閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗(yàn)方法》中關(guān)于流量試驗(yàn)的相關(guān)要求進(jìn)行邊界條件設(shè)置，調(diào)節(jié)閥的入口與出口處管道加長(zhǎng)為公稱管徑的5倍和10倍，設(shè)置出入口設(shè)置為壓力邊界，壓差為MPa。

選擇k-epsilon湍流模型，并設(shè)置相應(yīng)的流場(chǎng)初始參數(shù)。從5%，10%，…，100%開度，共20個(gè)閥門開度進(jìn)行計(jì)算，得出的額定流量系數(shù)為0.3，與理論計(jì)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(diào)節(jié)閥使用要求。正常開度約為50%，各級(jí)降壓分別為16.5%，17.9%，19.2%，18.5%，8.8%，0.5%。兩級(jí)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(jìn)行計(jì)算，對(duì)比結(jié)果選優(yōu)。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

流量試驗(yàn)是檢驗(yàn)閥門流通能力，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的重要方法。將上述調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品，安裝至流量試驗(yàn)設(shè)備上，調(diào)整閥前后的壓差至0.1 MPa，通過(guò)流量計(jì)讀取調(diào)節(jié)閥的流量，換算成CV值。得到的結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，差距最大為8.9%，如圖4所示。

圖4　試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明： 調(diào)節(jié)閥滿足工況要求，數(shù)值計(jì)算的參數(shù)設(shè)置較為準(zhǔn)確，數(shù)值模擬可以直接用于輔助理論設(shè)計(jì)，從而減少了設(shè)計(jì)時(shí)間成本及經(jīng)濟(jì)成本。

4調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)流程

多級(jí)調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)較為繁瑣，涉及的內(nèi)容較多，本文設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)閥經(jīng)數(shù)值模擬及流量試驗(yàn)驗(yàn)證，流量滿足要求，降壓情況較為理想，故總結(jié)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)流程如下：

1) 根據(jù)工況參數(shù)，得到閥門的流阻系數(shù)，對(duì)閥門的類型及特點(diǎn)作初步的選擇。

2) 進(jìn)行介質(zhì)流態(tài)判定，計(jì)算流量系數(shù)。

3) 初定閥座的直徑，從而計(jì)算出閥座的流通能力。

4) 通過(guò)壓降關(guān)系以及流量系數(shù)公式，得出閥芯的關(guān)鍵尺寸。多級(jí)降壓閥通常要選擇多種孔數(shù)、級(jí)數(shù)、閥芯節(jié)流面積，對(duì)比后選優(yōu)。

5) 進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵的是進(jìn)行閥芯形面曲線的計(jì)算。

6) 建立仿真計(jì)算模型，進(jìn)行流體及結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)修正。

7) 試驗(yàn)驗(yàn)證。

5結(jié)論與展望

1) 多級(jí)串聯(lián)調(diào)節(jié)閥是解決小流量、高壓差含固體介質(zhì)惡劣工況氣蝕問(wèn)題的有效方法之一，本文設(shè)計(jì)的串式多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥性能較為理想。

2) 仿真計(jì)算可得到較為準(zhǔn)確的流場(chǎng)分布，用于驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)，從而提高工作效率。

3) 若通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)多種方案的計(jì)算和分析、閥芯形面的計(jì)算及形面曲線的自動(dòng)繪制，將能大幅提高設(shè)計(jì)工作效率。

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西門子自配置網(wǎng)絡(luò)助力工業(yè)通信未來(lái)發(fā)展

在2015年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)(Hannover Messe 2015)上，西門子將展示一個(gè)正處于初期階段的創(chuàng)新項(xiàng)目，即“輕松通信”(Effortless Communication)： 其目的是簡(jiǎn)化機(jī)器和工廠網(wǎng)絡(luò)的安裝、測(cè)試與升級(jí)。為此，地址的分配由工程系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至自動(dòng)化設(shè)備。這樣，設(shè)備可自動(dòng)分配地址，無(wú)需配備地址服務(wù)器這樣的中心實(shí)體。此外，系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化遠(yuǎn)程維護(hù)服務(wù)的部署，并增強(qiáng)其安全性。該項(xiàng)目成果可能被納入未來(lái)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建與運(yùn)行中。

較之辦公應(yīng)用，自動(dòng)化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用配有數(shù)量更多的服務(wù)器。例如，每個(gè)聯(lián)網(wǎng)的I/O模塊都代表自己的服務(wù)器，可以提供并接收過(guò)程數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要連續(xù)提供診斷信息。這是“Effortless Communication”項(xiàng)目的初衷，通過(guò)上述方式，用戶可以調(diào)用控制器和I/O設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)元件的技術(shù)設(shè)備名稱，而不是難記的網(wǎng)絡(luò)地址和路徑。地址分配由實(shí)際的自動(dòng)化設(shè)備以分散方式進(jìn)行自動(dòng)處理，使得用戶能以“即插即生產(chǎn)”的方式隨時(shí)置換或添加設(shè)備，而無(wú)需任何特殊的現(xiàn)場(chǎng)工程或網(wǎng)絡(luò)專業(yè)知識(shí)。甚至將工廠全部組件靈活地嵌入制造場(chǎng)景也將成為可能。因而，在工廠新組件的調(diào)試和認(rèn)證過(guò)程中，無(wú)需任何額外的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就可以完成獨(dú)立操作。然后，自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)支持對(duì)孤立網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)重新編號(hào)，以適應(yīng)工廠網(wǎng)絡(luò)的尋址。

該創(chuàng)新項(xiàng)目可使設(shè)備操作人員或系統(tǒng)集成人員受益匪淺，通過(guò)自動(dòng)地址分配，他們可以根據(jù)需要將量產(chǎn)機(jī)器集成于網(wǎng)絡(luò)，而不必為其中的每臺(tái)量產(chǎn)機(jī)器分別調(diào)試網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。這里，自動(dòng)設(shè)施通過(guò)有效避免重復(fù)地址，確保量產(chǎn)機(jī)器的安全并行操作。另外，對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行準(zhǔn)確無(wú)誤的自動(dòng)分配，還可以簡(jiǎn)化遠(yuǎn)程維護(hù)服務(wù)，并增強(qiáng)其安全性： 地址分配系統(tǒng)支持自動(dòng)安裝遠(yuǎn)程服務(wù)接入點(diǎn)或防火墻等安全設(shè)施。因而，可以將防火墻規(guī)則設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單直接、系統(tǒng)化、并且嚴(yán)格到極致。(西門子(中國(guó))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(hào)：TP214

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)02-0054-05

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

稿件收到日期： 2014-11-25。