陶 力

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

化工、冶金等工程中都會(huì)使用大量的煙氣凈化和除塵設(shè)備，這些煙氣凈化除塵設(shè)備與產(chǎn)生廢氣和煙氣的生產(chǎn)設(shè)備之間是靠煙氣管道進(jìn)行連接的。在煙氣管道上設(shè)置有各種功能的管道閥門，其中一種閥門就是用以調(diào)節(jié)煙氣管道通量大小的調(diào)節(jié)閥門。目前使用的煙氣閥門大多數(shù)為蝶閥和閘閥，蝶閥是通過(guò)閥片在煙管內(nèi)旋轉(zhuǎn)以改變煙道通量的大小；而閘閥則是通過(guò)閘板的上下移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)煙管通量大小的調(diào)節(jié)。閥門在煙管上調(diào)節(jié)通量大小的過(guò)程中勢(shì)必會(huì)對(duì)煙氣在管道內(nèi)的的流動(dòng)產(chǎn)生阻礙和干擾，而理想的調(diào)節(jié)閥門應(yīng)該在改變煙管通量的同時(shí)盡可能的減少對(duì)煙氣流動(dòng)的阻力，做到煙氣在通過(guò)閥門前后的壓力、流速和流動(dòng)方向保持穩(wěn)定可靠盡，在有效改變煙管通量的同時(shí)盡量減少能量損失。

1 常用閥門種類

目前大量使用的閥門中蝶閥和閘閥最為常見(jiàn)，蝶閥是在管道中設(shè)置1塊圓形閥板，通過(guò)設(shè)置在管道中軸線上的回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)閥板旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)管道大小的調(diào)節(jié)；閘閥則是在閥門上設(shè)置垂直于管道軸線的閘板，通過(guò)閘板的上下移動(dòng)來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉閥門。通過(guò)對(duì)目前使用的蝶閥和閘閥的研究發(fā)現(xiàn)，由于其自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在閥門改變通量大小的過(guò)程中都會(huì)對(duì)煙氣氣流產(chǎn)生不同程度的影響。對(duì)于蝶閥而言，雖然閥板通過(guò)旋轉(zhuǎn)打開(kāi)或關(guān)閉，打開(kāi)的部位能夠順利地通過(guò)煙氣氣流，但是由于閥板位于煙管通道的中央部位，對(duì)通過(guò)煙管中心位置的煙氣會(huì)產(chǎn)生較大阻擋，迫使煙氣繞道而行。對(duì)于閘閥來(lái)說(shuō)，閘板豎直設(shè)置在管道橫截面上，當(dāng)閥門需要減小管道通量時(shí)，閥板向下移動(dòng)直接阻擋部分煙氣流動(dòng)，造成管道內(nèi)部氣流紊亂，而且會(huì)導(dǎo)致閥門處局部壓力損失加大。

2 設(shè)計(jì)新型管道通量調(diào)節(jié)閥

在現(xiàn)有閥門的基礎(chǔ)上，結(jié)合煙氣流動(dòng)的特點(diǎn)，我們重新設(shè)計(jì)了一種新的管道通量調(diào)節(jié)閥門，新閥門結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

該閥門采用多閥片旋轉(zhuǎn)式開(kāi)合結(jié)構(gòu)，多片閥板通過(guò)轉(zhuǎn)銷與轉(zhuǎn)盤連接，兩瓣閥體將轉(zhuǎn)盤、閥片夾持固定，轉(zhuǎn)盤上的撥桿外露與閥體外與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作后，推動(dòng)撥桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)銷帶動(dòng)閥片旋轉(zhuǎn)使閥片產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)閥門的連續(xù)打開(kāi)和關(guān)閉動(dòng)作。在管道調(diào)節(jié)閥上安裝有驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置為閥門調(diào)節(jié)提供執(zhí)行動(dòng)力；管道調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)類似鏡頭快門，中間為通孔，驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)作將調(diào)整快門板旋轉(zhuǎn)，使中間通孔向外擴(kuò)大或向內(nèi)縮小以實(shí)現(xiàn)閥門截面大小的調(diào)節(jié)，在這整個(gè)過(guò)程中，通孔大小的變化是平穩(wěn)且連續(xù)的。

利用SolidWorks Flow Simulation有限元軟件對(duì)新型調(diào)節(jié)閥門以及傳統(tǒng)的蝶閥和閘閥建立三維模型并進(jìn)行氣流調(diào)節(jié)效果的分析。通過(guò)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析和比對(duì)，掌握各種管道閥門通量調(diào)節(jié)性能和煙氣流動(dòng)規(guī)律，為新型管道調(diào)節(jié)閥門工程實(shí)際應(yīng)用提供可靠的理論分析依據(jù)。為了方便對(duì)各種閥門調(diào)節(jié)效果的對(duì)比，我們將統(tǒng)一閥門模型的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，其中包括：管道直徑、閥門位置、煙氣進(jìn)口流量、煙氣出口壓力、閥門開(kāi)度大小等。

分析之前，簡(jiǎn)單介紹一下SolidWorks Flow Simulation有限元分析軟件，他屬于一種計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析軟件，是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。SW Flow Simulation軟件使用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。CFD可以看做是在流動(dòng)基本方程(質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程)控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬，通過(guò)模擬，可以得到及其復(fù)雜問(wèn)題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量(速度、壓力、溫度、濃度等)的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況。

分別建立新型調(diào)節(jié)閥、蝶閥、閘閥的三維模型，管道的通徑相同均為DN400，然后將每一種閥門的開(kāi)度調(diào)整為最大通量的1/2開(kāi)度，同時(shí)在管道的進(jìn)口和出口分別設(shè)置相同的氣流初始條件。管道進(jìn)口設(shè)置氣體(介質(zhì)為空氣)進(jìn)入的總流量均為：12 000 m3/h(≈3.3 m3/s)，管道出口的環(huán)境條件設(shè)置為靜壓(壓力值為環(huán)境壓力)。在管道進(jìn)口與出口條件相同且管道閥門開(kāi)度均為管道截面1/2的情況下，通過(guò)仿真計(jì)算，模擬氣流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，再將3種閥門的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，找出每種閥門氣體運(yùn)動(dòng)的各自特點(diǎn)。由于我們?cè)谶@個(gè)階段主要討論的是各個(gè)閥門在工作過(guò)程中對(duì)氣流流動(dòng)的干擾所產(chǎn)生的影響作用，所以這次模擬過(guò)程我們暫時(shí)不考慮溫度的影響。

圖2為新型調(diào)節(jié)閥氣體流動(dòng)壓力等高線和氣體流動(dòng)線路圖，從圖中我們可以看出進(jìn)口側(cè)(閥門左側(cè))氣體壓力值大約在103 562.02 Pa，出口側(cè)(閥門右側(cè))氣體壓力值大約在99 739.11～101 377.50 Pa之間。從氣體流動(dòng)壓力等高線上可以發(fā)現(xiàn)在閥門兩側(cè)的氣壓值變化非常的有規(guī)律，壓力值的變化層次感清晰、界限分明。從氣體流動(dòng)線路圖能夠清晰的看到氣流運(yùn)動(dòng)軌跡，該軌跡最大的特點(diǎn)就是氣流整體運(yùn)行過(guò)程被閥門的干擾并不明顯，氣流主要運(yùn)行通道仍然是管道的截面中心部位，而且管道中心部位處的運(yùn)行軌跡仍以直線為主并未受到閥門過(guò)多的阻礙和干擾。

圖3為蝶閥氣體流動(dòng)壓力等高線和氣體流動(dòng)線路圖，從圖中可以看出進(jìn)口側(cè)(閥門左側(cè))氣體壓力值大約在103 913.11 Pa，出口側(cè)(閥門右側(cè))氣體壓力值大約在99 817.13～101 572.55 Pa之間。從氣體流動(dòng)壓力等高線上可以發(fā)現(xiàn)在閥門兩側(cè)的氣壓值變化也并不是非常的大，壓力值的變化比較大的部位主要集中在閥瓣的上方位置。從氣體流動(dòng)線路圖可以看出當(dāng)氣體流動(dòng)到閥瓣位置時(shí)，由于閥瓣處于管道流通截面的正中心，因此氣流在此受阻后被迫改道向上下兩側(cè)流動(dòng)。當(dāng)氣流進(jìn)入閥瓣右側(cè)后，由于閥瓣擾流效應(yīng)的干擾導(dǎo)致氣流流動(dòng)線路產(chǎn)生了偏移，只有管道底部少部分氣流保持了直線流動(dòng)，而管道中部及上部流動(dòng)方向比較紊亂，有從上向下流動(dòng)的趨勢(shì)。

圖4為閘閥氣體流動(dòng)壓力等高線和氣體流動(dòng)線路圖，從圖中可以看出進(jìn)口側(cè)(閥門左側(cè))氣體壓力值大約在104 108.16 Pa，在被閘閥閥瓣阻擋處的氣體壓力值大約為105 200.42；而出口側(cè)(閥門右側(cè))氣體壓力值大約在99 192.98～100 285.24 Pa之間。從氣體流動(dòng)壓力等高線上可以發(fā)現(xiàn)雖然在閥門兩側(cè)的氣壓值變化并不是非常的大，但是由于閥瓣的阻擋作用，導(dǎo)致氣體流動(dòng)出現(xiàn)局部紊亂和渦流現(xiàn)象。從氣體流動(dòng)線路圖可以看出當(dāng)氣體流動(dòng)到閥瓣位置時(shí)，因閥瓣切斷了管道截面一半的面積，氣體流動(dòng)到閥瓣處被阻擋后向下移動(dòng)，經(jīng)過(guò)閥瓣后大部分呈直線移動(dòng)，同時(shí)在閥瓣的背后區(qū)域出現(xiàn)了壓力下降，造成此區(qū)域氣體流動(dòng)呈現(xiàn)螺旋渦流狀態(tài)。

通過(guò)上面對(duì)3種通氣閥門在相同管道截面和開(kāi)閉狀態(tài)下的工況實(shí)際模擬，可以清晰的看見(jiàn)氣體在管道內(nèi)的壓力分布情況，以及氣體流動(dòng)的軌跡曲線。經(jīng)過(guò)比較與分析，新型調(diào)節(jié)閥、蝶閥、閘閥3種閥門在通過(guò)改變管道流通截面調(diào)節(jié)管道流量的過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生氣體的壓力變化并且改變氣體的流動(dòng)軌跡，但是新型調(diào)節(jié)閥對(duì)氣體流動(dòng)軌跡的干擾和阻礙影響最小，并且氣流在通過(guò)閥門前后的壓力波動(dòng)也是最小的，這對(duì)于減少氣體在流經(jīng)閥門時(shí)造成的能量損失是有好處的。

3 應(yīng)用分析

新型閥門在煙氣管道上安裝后的效果圖見(jiàn)圖5。新型管道調(diào)節(jié)閥兩側(cè)分別與煙氣管道連接，閥門上閥片撥桿與驅(qū)動(dòng)裝置連接，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)閥門開(kāi)閉。

在具體實(shí)施的過(guò)程中，閥門的兩側(cè)還將安裝探測(cè)壓力變化用的差壓變送器以及感知?dú)怏w流動(dòng)大小的氣體流量計(jì)。通過(guò)差壓變送器或者流量計(jì)的信號(hào)輸出，可以控制驅(qū)動(dòng)裝置的伸出和縮回，完成調(diào)節(jié)閥門的打開(kāi)和關(guān)閉動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的氣體流量和閥門前后的壓差值符合設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的要求。具體實(shí)施時(shí)差壓變送器的輸出信號(hào)可以按照實(shí)際的工況需求提前設(shè)定，當(dāng)閥門兩側(cè)的氣流壓力差值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，差壓變送器便輸出信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作以打開(kāi)或關(guān)小閥門，使得閥門兩側(cè)的氣流壓力恢復(fù)到原來(lái)的工作狀態(tài)，保持煙管內(nèi)氣流工作平穩(wěn)。也可以對(duì)差壓變送器輸入一個(gè)需要的壓力差值，使其控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作打開(kāi)或關(guān)小閥門，當(dāng)閥門兩側(cè)氣流壓力差達(dá)到設(shè)定值后停止執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成煙氣通量大小的調(diào)節(jié)動(dòng)作以維持閥門兩側(cè)壓差始終保持在初始設(shè)定值。另外，當(dāng)閥門具體應(yīng)用在鋁電解工業(yè)中時(shí)，還可以結(jié)合鋁電解槽對(duì)煙氣流量和電解槽內(nèi)溫度的控制要求來(lái)對(duì)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。比如，當(dāng)電解槽內(nèi)煙氣過(guò)多或是正處在換極作業(yè)時(shí)，此時(shí)需要加大煙氣的收集與排放，保證電解槽內(nèi)的氣體維持負(fù)壓狀態(tài)避免煙氣的外泄，所以需要控制閥門開(kāi)啟到最大狀態(tài)全力排放；但是當(dāng)電解槽內(nèi)工作平穩(wěn)煙氣量較低或者電解槽處在啟動(dòng)的初期階段時(shí)，需要對(duì)電解槽進(jìn)行保溫控制，盡量減少電解槽內(nèi)因空氣流動(dòng)而造成的熱量損失，所以需要控制閥門關(guān)閉到最小狀態(tài)以減少排放。

4 結(jié) 語(yǔ)

新型煙氣管道調(diào)節(jié)閥門的出現(xiàn)，對(duì)于煙氣管道調(diào)節(jié)閥的選用又提供了一種新的選擇。相對(duì)傳統(tǒng)的蝶閥、閘閥等閥門來(lái)說(shuō)，新型煙氣管道調(diào)節(jié)閥所具有的平穩(wěn)可靠性和智能可控性使得其優(yōu)勢(shì)明顯，為今后工業(yè)廠房的智能管控(MES系統(tǒng))升級(jí)改造提供設(shè)備支持。相信不久的將來(lái)，新型煙氣管道調(diào)節(jié)閥門會(huì)有更為廣闊的發(fā)展空間。