大喉徑煤液化高壓差角閥內(nèi)部流場優(yōu)化分析

張 寶，喬 元，孫 祝

(國家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制油分公司， 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200)

高壓差角閥作為煤液化裝置中的關(guān)鍵閥門，其所處工況具有溫度高、壓差大、介質(zhì)含固量高、沖刷強(qiáng)、腐蝕嚴(yán)重、部分介質(zhì)呈現(xiàn)氣液固三相混合的特點，使用環(huán)境十分惡劣[1-3]。惡劣的工況環(huán)境使得閥門故障成為常態(tài)化。目前國內(nèi)外高壓差角閥生產(chǎn)廠家通過對閥內(nèi)件材料進(jìn)行加工硬化處理等方法使得高壓差角閥的使用壽命有了較大的提高[4]，但是實際目前市場上高壓差角閥及內(nèi)件的使用壽命絕大多數(shù)仍不足1 a，極大地限制了工藝裝置的連續(xù)化生產(chǎn)，大大增加了生產(chǎn)成本。

由于煤化工生產(chǎn)規(guī)模的增加，高磅級、大喉徑高壓差角閥已逐漸應(yīng)用于煤液化工藝的某些關(guān)鍵位置上。對于這類閥體，由于喉徑較大，閥芯的體積與質(zhì)量成倍增加。閥芯質(zhì)量的增加不僅使得生產(chǎn)成本大大增加，而且也使得閥桿在閥內(nèi)流體的沖擊下更易產(chǎn)生振動。對于大喉徑高壓差角閥，節(jié)流口流通截面積迅速增加，使得流體流經(jīng)閥芯末端后流場變得十分復(fù)雜，從而發(fā)生側(cè)沖的可能性大大提高。

對于高壓差角閥，流體流入閥體內(nèi)在其內(nèi)部進(jìn)行整流混合后，再流入閥頭與閥座之間形成的節(jié)流口，故閥體的形狀、大小會影響流入節(jié)流口時流體的速度分布。筆者嘗試通過調(diào)整閥體結(jié)構(gòu)，使得節(jié)流口處流體速度分布盡量均勻，使得在較大的開度范圍內(nèi)閥座處均不會發(fā)生側(cè)沖，從而延長閥座的使用壽命。利用SolidWorks三維軟件建立高壓差角閥流道模型，利用Fluent軟件對不同閥體結(jié)構(gòu)的高壓差角閥進(jìn)行三維流場模擬，從而為高壓差角閥的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

圖1為某DN300口徑、150 mm喉徑的高壓差角閥結(jié)構(gòu)。在原始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，又設(shè)計了2種結(jié)構(gòu)。改進(jìn)結(jié)構(gòu)1將腔體下半部擴(kuò)大，使流體在進(jìn)入節(jié)流口前有較大的空間進(jìn)行整流混合，改進(jìn)結(jié)構(gòu)2則在腔體下半部增加了導(dǎo)流段，從而影響進(jìn)入節(jié)流口的流體的速度方向。

圖1 高壓差角閥模型結(jié)構(gòu)

3種結(jié)構(gòu)出、入口距中心線距離保持不變，分別建立3種結(jié)構(gòu)在30%、50%、70%開度下的模型結(jié)構(gòu)并進(jìn)行研究，模型網(wǎng)格數(shù)量見表1。原始結(jié)構(gòu)在30%開度下流道網(wǎng)格劃分見圖2。

表1 模型網(wǎng)格數(shù)量

圖2 流道網(wǎng)格

1.2 參數(shù)設(shè)置

選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對流場模型進(jìn)行求解[5]，以液態(tài)水為介質(zhì)，計算條件見表2。

表2 k-ε湍流模型計算條件

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 流場速度分布

圖3～圖5為3種結(jié)構(gòu)在3個開度下的對稱面的速度矢量云圖。從圖3～圖5中可以看到：對于原始結(jié)構(gòu)，由于節(jié)流口流通截面積迅速增加，流體流經(jīng)閥芯末端后流場變得十分復(fù)雜，3個開度下出口處均存在明顯側(cè)沖；對于改進(jìn)結(jié)構(gòu)1，雖然在50%開度下出口處流體流動較為均勻，但在出口處形成了2個旋渦，而在30%開度和70%開度下仍然發(fā)生側(cè)沖，且側(cè)沖角度相對于原始結(jié)構(gòu)并沒有明顯改善；對于改進(jìn)結(jié)構(gòu)2，增加導(dǎo)流段后，出口段流體的流動情況有了較明顯的改善，在50%開度和70%開度下都呈現(xiàn)出良好的流動效果，僅在30%開度下發(fā)生了側(cè)沖。

圖3 30%開度下速度矢量云圖

圖4 50%開度下速度矢量云圖

圖5 70%開度下速度矢量云圖

表3為提取速度云圖中不同開度下的最大速度。

表3 最大速度

從表3可以看出：相對于原始結(jié)構(gòu)，2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的最大速度在不同開度下均有所下降，由于最大速度在節(jié)流口處，節(jié)流口處的最大速度越小，則表明流體對閥芯和閥座的沖刷作用越小。

2.2 流場壓力分布

3種結(jié)構(gòu)在30%、50%、70%開度下的壓力云圖見圖6～圖8。從圖6～圖8可以看出：當(dāng)流體流至閥頭與閥座之間時，流通截面積迅速減小，壓力也迅速降低，流過閥座后，壓力有所回升，不同結(jié)構(gòu)閥體壓力分布規(guī)律差別不大。

圖6 原始結(jié)構(gòu)壓力云圖

圖7 改進(jìn)結(jié)構(gòu)1壓力云圖

圖8 改進(jìn)結(jié)構(gòu)2壓力云圖

3種結(jié)構(gòu)的入口壓力見表4。從表4可以看出：30%開度下入口壓力相比原始結(jié)構(gòu)有所提高，但是50%開度、70%開度下的最大壓力同樣有所下降。這可能是由于結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致流量系數(shù)變化較大，所以在不同開度下不同結(jié)構(gòu)入口壓力的變化無明顯的規(guī)律，但對比2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)1的入口壓力明顯比改進(jìn)結(jié)構(gòu)2的入口壓力高。

表4 入口壓力

3 結(jié)語

以某DN300口徑、150 mm喉徑的高壓差角閥結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計了2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，其中改進(jìn)結(jié)構(gòu)1擴(kuò)大了腔體下半部，改進(jìn)結(jié)構(gòu)2在節(jié)流口上增加了導(dǎo)流段。通過數(shù)值模擬計算的方法對3種結(jié)構(gòu)的流場進(jìn)行了研究，得到的結(jié)論如下：

(1) 對比速度矢量云圖可以發(fā)現(xiàn)，對于改進(jìn)結(jié)構(gòu)1，側(cè)沖角度相對于原始結(jié)構(gòu)并沒有明顯改善；對于改進(jìn)結(jié)構(gòu)2，出口段流體的流動情況有了較為明顯的改善，在50%開度和70%開度都呈現(xiàn)出良好的流動效果，僅在30%開度下發(fā)生了側(cè)沖。

(2) 相對于原始結(jié)構(gòu)，2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的最大速度在不同開度下均有所下降，由于最大速度在節(jié)流口處，節(jié)流口處的最大速度越小，表明流體對閥芯和閥座的沖刷作用越小。

(3) 3種結(jié)構(gòu)閥體壓力分布規(guī)律差別不大。改進(jìn)結(jié)構(gòu)相對于原始結(jié)構(gòu)，入口壓力的變化不明顯。改進(jìn)結(jié)構(gòu)1的入口壓力明顯高于改進(jìn)結(jié)構(gòu)2的入口壓力。