超超臨界水位調(diào)節(jié)閥流量特性研究

于海波　沈明啟

摘要：本文介紹了使用ANSYS CFX軟件對(duì)超超臨界水位調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量特性分析的方法

關(guān)鍵詞：超超臨界；調(diào)節(jié)閥；流量特性

引言

現(xiàn)代工業(yè)，調(diào)節(jié)閥有著非常重要的地位和作用，它是形成工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，這些系統(tǒng)無(wú)論是實(shí)現(xiàn)能量的交換，還是壓力的轉(zhuǎn)變等都需要使用調(diào)節(jié)閥去實(shí)現(xiàn)控制。調(diào)節(jié)閥是控制元件的最主要的型式之一，按功能分，其主要類(lèi)型包括穩(wěn)定壓力用調(diào)節(jié)閥、V型缺口單座閥和雙座閥調(diào)節(jié)閥、隔膜閥、蝶閥、球閥、套筒閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、精小型調(diào)節(jié)閥、全功能超輕型閥等。

超超臨界水位調(diào)節(jié)閥安裝在1000MW超（超）臨界發(fā)電機(jī)組儲(chǔ)水罐與冷凝器之間的管道上，它的主要目的是當(dāng)系統(tǒng)處于鍋爐加水，清洗和鍋爐啟動(dòng)階段時(shí)，在出現(xiàn)儲(chǔ)水罐水位超過(guò)系統(tǒng)安全限值的情況下，通過(guò)水位調(diào)節(jié)閥向冷凝器疏水以防止水位超標(biāo)，保護(hù)系統(tǒng)的安全性和順利運(yùn)行。鍋爐在濕態(tài)運(yùn)行時(shí)，省煤器入口的最低安全流量由水泵來(lái)進(jìn)行控制，當(dāng)儲(chǔ)水罐水位在運(yùn)行過(guò)程中需要調(diào)節(jié)時(shí)，則要啟動(dòng)循環(huán)泵出口的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨著水位逐步提高，儲(chǔ)水罐液位則將通過(guò)安裝在儲(chǔ)水罐處的水位調(diào)節(jié)閥進(jìn)行液位調(diào)整和控制。

1.流量特性類(lèi)型

流量特性是指閥門(mén)在不同的相對(duì)開(kāi)度下，流量與位移的曲線關(guān)系，因此可以得出閥門(mén)的流量取決于閥門(mén)的壓降，比如可以通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥閥瓣和閥座密封面間的間隙面積來(lái)調(diào)節(jié)流量。流量特性一般有五種形式包括線性特性、平方根特性、等百分比特性、雙曲線特性、快開(kāi)特性等，目前大多數(shù)的調(diào)節(jié)閥都是采用線性和等百分比特性。

直線特性即調(diào)節(jié)閥的流量變化與閥桿的行程成線性關(guān)系，是一種最理想的特性，因?yàn)樵趬航颠^(guò)程中，流量特性是一個(gè)恒定的常數(shù)。直線特性在閥門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，其流量變化速度較快，調(diào)節(jié)流量的幅度比較強(qiáng)，在開(kāi)度進(jìn)一步增加后，流量變化速度較慢，調(diào)節(jié)流量的幅度就較小開(kāi)度時(shí)小，調(diào)節(jié)的時(shí)效性不夠。

等百分比特性是應(yīng)用比較廣泛的流量特性關(guān)系，其變化規(guī)律是一個(gè)數(shù)值確定的百分比。等百分比特性在閥門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，流量也比較小，變化值也相對(duì)較小，調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用比較穩(wěn)定，在開(kāi)度較大的場(chǎng)合，流道的流量也比較大，其調(diào)節(jié)比較迅速，靈敏度較高。與直線特性相比，當(dāng)閥門(mén)的開(kāi)度一定時(shí)，其流量比直線特性小。

安裝流量特性是指閥門(mén)安裝后的實(shí)際流量特性，它不是在恒定壓降下進(jìn)行研究的，其壓降隨著流量的變化而變化。在系統(tǒng)中，閥門(mén)安裝后，管道和設(shè)備兩端產(chǎn)生壓降損失，壓降損失由靜壓頭損失和動(dòng)壓頭損失組成，流量動(dòng)壓頭損失曲線稱(chēng)為系統(tǒng)阻力曲線，對(duì)曲線進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論：

1.1如果系統(tǒng)安裝有壓力泵，調(diào)節(jié)閥的壓降則等于系統(tǒng)在額定流量下丫頭損失的33%；

1.2如果系統(tǒng)安裝有離心壓縮機(jī)，壓降值為吸入段壓力的百分之五，或者為系統(tǒng)壓力損失的一半。

1.3在僅有靜壓力的情況下，介質(zhì)從壓力容器流向另一個(gè)容器里，調(diào)節(jié)閥壓降為壓力較低端的百分之十，或者為系統(tǒng)壓力損失的一般。

1.4安裝在透平、再熱器等整齊管道上的調(diào)節(jié)閥，其壓力降要到達(dá)設(shè)計(jì)壓力的百分之十。

1.5當(dāng)調(diào)節(jié)閥壓力降所占系統(tǒng)壓力降的比例較小時(shí)，其安裝流量特性為快開(kāi)式，具有線性特性的閥門(mén)調(diào)節(jié)性能則出現(xiàn)較大變化，不能夠滿(mǎn)足調(diào)節(jié)特性的基本要求，具有等百分比特性的閥門(mén)調(diào)節(jié)性能則在形狀上更加接近直線型，更加適合調(diào)節(jié)需求。

2.ANSYS CFX軟件簡(jiǎn)介

ANSYS CFX是目前世界范圍內(nèi)規(guī)模最大，最專(zhuān)業(yè)的的商業(yè)CFD軟件，其可計(jì)算的物理問(wèn)題包括各種流動(dòng)如亞臨界、超臨界等、傳熱如導(dǎo)熱、多相流如歐拉和拉格朗日粒子、化學(xué)反應(yīng)和燃燒等多組分問(wèn)題，還擁有諸如氣蝕、流動(dòng)耦合、沸騰、相間傳質(zhì)、多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、非牛頓流、并行計(jì)算、二次系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、真實(shí)氣體等大批復(fù)雜現(xiàn)象的實(shí)用模型。在湍流模型中，納入了RANS模型、SST模型、DES模型、LES模型等。

3.基于ANSYS CFX的流體性能分析

3.1建立有限元模型

根據(jù)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)特性及結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，利用SOLIDWORK建立調(diào)節(jié)閥開(kāi)度10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%及100%的1/2流體模型。

3.2網(wǎng)格劃分

根據(jù)不同開(kāi)度的網(wǎng)格參數(shù)，包括網(wǎng)格大小、局部網(wǎng)格數(shù)量、節(jié)流位置參數(shù)、總網(wǎng)格數(shù)等進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.3 求解

將在ANSYS ICEM CFD劃分的有限元模型，導(dǎo)入ANSYS CFX Pre中，并根據(jù)不同開(kāi)度下選擇入口參數(shù)、出口參數(shù)、收斂方式進(jìn)行初始條件設(shè)置，選擇湍流模型，經(jīng)分析，其最終過(guò)程為收斂。

4.結(jié)論

根據(jù)得到的結(jié)果，計(jì)算得到流阻和流通能力，通過(guò)理論計(jì)算與分析Kv對(duì)比分析可知，使用ANSYS CFX軟件進(jìn)行流量特性分析的結(jié)果滿(mǎn)足等百分比要求，與理論計(jì)算曲線吻合度很高。因此，采用ANSYS CFX分析流通能力的方法是合理的、正確的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王松嶺等.流體力學(xué)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[2]孫紀(jì)寧.ANSYS CFX 對(duì)流傳熱數(shù)值模擬基礎(chǔ)應(yīng)用教程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：于海波（1983-），男，工程師，從事閥門(mén)技術(shù)工作。