蒸汽安全閥仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403010

摘 要 采用ANSYS CFX流場仿真技術(shù)對優(yōu)化后的鍋爐管道用蒸汽安全閥流場排量和升力系數(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的蒸汽安全閥開高設(shè)計(jì)合理，具有較好的排放性能，臨界壓力比在0.400～0.497之間，流阻損失小。閥瓣結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，升力曲線得到改善，能夠迅速達(dá)到設(shè)計(jì)開高要求，及時(shí)排放壓力，減少顫振等問題的發(fā)生。

關(guān)鍵詞 蒸汽安全閥 開高 臨界壓力比 排量系數(shù) ANSYS CFX

中圖分類號(hào) TQ055.8+1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號(hào) 0254?6094（2024）03?0392?06

Simulation and Structural Optimization Steam Relief Valve

WANG Jian?guang

（Fujian Boiler and Pressure Vessel Inspection and Research Institute）

Abstract?? Making use of ANSYS CFX flow field simulation technology to research both flow field displacement and lift coefficient of the steam relief valve optimized for boiler pipeline was implemented. The results show that， the opening height of the optimized steam relief valve is reasonable and it has better discharge performance; as for the critical discharge coefficient of 0.400 to 0.497， the flow resistance loss becomes small. After optimizing the disc structure， the lift curve becomes improved and which can quickly reach the opening height as required and the pressure there can be relieved and vibration there be reduced.

Key words??? steam relief valve， opening height， critical pressure ratio， displacement coefficient，? ANSYS CFX

（Continued on Page 401）

基金項(xiàng)目：福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院科研項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：FJTJ2021012）資助的課題。

作者簡介：汪建光（1979-），高級(jí)工程師，從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測和技術(shù)研究工作，12900815@qq.com。

引用本文：汪建光.蒸汽安全閥仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：392-396;401.

安全閥在承壓類特種設(shè)備系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，其故障或失效均會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線無法正常工作，甚至帶來災(zāi)難性事故[1]。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，安全閥在設(shè)備超壓保護(hù)方面發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，尤其在易燃易爆裝置運(yùn)行過程中扮演著重要角色。因此，安全閥的可靠使用已經(jīng)成為當(dāng)前研發(fā)的重點(diǎn)，其出廠要求保證關(guān)閉狀態(tài)下密封性能完好，開啟狀態(tài)下有足夠的開高和排放量，運(yùn)行過程中無頻跳、顫振、卡阻等影響機(jī)械性能的問題。

安全閥升力、排量與彈簧選型之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)性，對升力和排量的研究仍是安全閥使用性能的主要研究方向。閔加豐和朱海清運(yùn)用ANSYS CFX獲取了安全閥的開啟升力特性[2]。姜圣翰等運(yùn)用仿真和試驗(yàn)對安全閥不同壓力下的排放量進(jìn)行了研究，證明了數(shù)值方法的可行性[3]。駱輝等通過仿真計(jì)算研究了安全閥開高，反沖盤、閥瓣及出口尺寸等對升力系數(shù)的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[4]。ZONG C Y等對主蒸汽安全閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，研究了閥門開啟的運(yùn)動(dòng)特性[5]。顏勤偉等通過MATLAB和FLUENT，得出了適用于安全閥的基于背壓修正的排量精確計(jì)算方法[6]。張佳和周浩應(yīng)用仿真和試驗(yàn)方法分析了雙調(diào)節(jié)環(huán)蒸汽安全閥開高對排量的影響規(guī)律[7]。

筆者采用ANSYS CFX對蒸汽安全閥進(jìn)行研究，分析改進(jìn)后的蒸汽安全閥的臨界壓力、排放性能和上調(diào)節(jié)圈對升力系數(shù)的影響，并對閥瓣改進(jìn)前后蒸汽安全閥的升力進(jìn)行對比分析，研究結(jié)果可為蒸汽安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考，助推嚴(yán)苛工況用安全閥國產(chǎn)化。

1 排量和升力系數(shù)

蒸汽通過安全閥流道的流量受臨界流動(dòng)影響，先隨下游壓力的減小而增大，達(dá)到臨界點(diǎn)后，下游壓力的進(jìn)一步減小并不會(huì)造成流量的進(jìn)一步增大[8]。

1.1 臨界流動(dòng)理論排量

空氣的單位面積理論排量可表示為：

q=10pC（1）

≤（）（2）

式中 C——絕熱指數(shù)k的函數(shù);

M——摩爾質(zhì)量;

p——排放壓力，MPa;

p——背壓力，MPa;

q——單位面積理論排量，kg/（h·mm2）;

T——排放溫度;

Z——壓縮系數(shù)。

蒸汽的單位面積理論排量可表示為：

q=（3）

其中，k為蒸汽壓力恢復(fù)系數(shù)。

1.2 亞臨界流動(dòng)理論排量

氣體的單位面積理論排量可表示為：

q=10pCK（4）

>（）（5）

其中，k為亞臨界流動(dòng)下理論排量修正系數(shù)。

排量系數(shù)k的計(jì)算式為：

k=（6）

式中 n——實(shí)驗(yàn)次數(shù);

q′——實(shí)際排量。

升力系數(shù)ρ的計(jì)算式為：

ρ=（7）

式中 d——喉徑[4];

F——升力。

由式（7）可知，在安全閥結(jié)構(gòu)不變的情況下，安全閥升力系數(shù)隨升力變化，成正比關(guān)系。

2 計(jì)算模型與設(shè)置

以鍋爐用蒸汽安全閥為研究對象，公稱直徑50 mm，全開時(shí)開啟高度為8 mm，簡化模型后抽取流道，建立計(jì)算模型如圖1a所示，劃分網(wǎng)格如圖1b所示。為了提高計(jì)算精度，在流道喉部及閥瓣與閥座間區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格數(shù)量為452 723。

采用ANSYS CFX對安全閥進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，模型選擇k?epsilon湍流模型和Total energy傳熱模型。設(shè)置進(jìn)口壓力4.25 MPa，流入流體溫度為610 K，出口邊界按試驗(yàn)需求給定。對流通量和黏性通量選用Upwind和High resolution格式進(jìn)行求解。為了更真實(shí)地模擬氣體流動(dòng)，采用ANSYS CFX理想氣體模型與集成的IAPWS IF97數(shù)據(jù)庫，以獲取不同溫度和壓力下的蒸汽物性參數(shù)。

3 模型驗(yàn)證

試驗(yàn)采用HAS?150/200型安全閥冷態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由壓縮氣源、高壓儲(chǔ)氣罐、節(jié)流控制閥、試驗(yàn)罐、閥門和管道、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成，試驗(yàn)介質(zhì)為常溫空氣。

試驗(yàn)與仿真所得排量列于表1。

采用理論公式計(jì)算安全閥出口流速c[1]：

c=91.2

（8）

其中，K為氣體的等熵指數(shù)，T為氣體溫度。

理論與仿真所得出口流速列于表2。

將仿真結(jié)果與試驗(yàn)、理論結(jié)果進(jìn)行比對可知，兩者誤差很小，均在4%以內(nèi)，表明所建仿真模型接近實(shí)際情況，可用于后續(xù)計(jì)算分析。

4 結(jié)果計(jì)算與分析

蒸汽安全閥在實(shí)際使用中的超壓排放介質(zhì)為高溫蒸汽，為了模擬實(shí)際工況，以高溫蒸汽為介質(zhì)對所建模型進(jìn)行仿真研究。

4.1 臨界壓力比

根據(jù)實(shí)際流通介質(zhì)，正確計(jì)算安全閥排量是安全閥可靠選用和使用的重要依據(jù)，臨界壓力比作為判斷安全閥內(nèi)流體流動(dòng)處于臨界流動(dòng)還是亞臨界流動(dòng)的重要依據(jù)，是正確選用排量計(jì)算公式的前提。

設(shè)置進(jìn)口壓力為4.25 MPa，介質(zhì)為蒸汽，介質(zhì)溫度610 K，通過改變出口壓力，仿真計(jì)算分析蒸汽安全閥的臨界壓力比，出口邊界設(shè)置及仿真結(jié)果見表3?？梢钥闯觯邷卣羝踩y的臨界壓力比在0.400～0.497之間，略小于過熱蒸汽在噴管中流動(dòng)時(shí)的臨界壓力比0.546，閥瓣流阻損失較小。

表3 出口邊界設(shè)置及仿真結(jié)果

[出口壓力/Pa 壓力比??? 仿真排量/kg·h-1 101 325?? 0.025????? 14 771.81?????? 1 101 325?????? 0.250????? 14 753.79?????? 1 700 000?????? 0.400????? 14 736.28?????? 2 101 325?????? 0.497????? 14 213.67?????? 3 101 325?????? 0.735????? 13 554.21?????? ]

4.2 云圖分析

高溫蒸汽安全閥蒸汽介質(zhì)超壓排放到大氣的馬赫數(shù)云圖如圖2所示。

從圖2可以看出，流體從進(jìn)口流入經(jīng)過漸縮管段后，馬赫數(shù)不斷增大直到達(dá)到超聲速，超聲速氣流通過安全閥喉部后，流動(dòng)空間擴(kuò)大，流體沿外折微小角度的壁面流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生弱膨脹波，導(dǎo)致其與波前氣流方向形成夾角μ，μ與波前馬

赫數(shù)Ma的關(guān)系為[9]：

μ=arcsin（9）

氣流經(jīng)過此波后速度會(huì)增大，壓強(qiáng)、密度、溫度會(huì)降低，此時(shí)馬赫數(shù)變?yōu)椋?/p>

Ma=Ma+dMa（10）

膨脹波產(chǎn)生后還會(huì)在固壁上發(fā)生反射、相交等，氣流方向在膨脹波作用下發(fā)生多次變化。蒸汽安全閥的最大馬赫數(shù)出現(xiàn)在閥瓣和閥座之間的流道處，流體在此位置流動(dòng)方向發(fā)生較大變化，射流出的流體進(jìn)入閥體中腔后馬赫數(shù)迅速減小，而后流體沿閥體中腔環(huán)形流道繞流而出排入空氣中，如圖3所示。

蒸汽安全閥溫度場云圖如圖4所示，可以看出，溫度場與馬赫數(shù)云圖分布對應(yīng)，流速高的區(qū)域溫度低，溫度最低區(qū)出現(xiàn)在喉部出口拐角與閥瓣和閥座間的節(jié)流段口處。

當(dāng)同一截面上參數(shù)的變化比沿流動(dòng)方向參數(shù)的變化小得多時(shí)，可近似地看作一維定常流動(dòng)，則流體的能量方程可表述為[10]：

h=h+（11）

其中，h為氣體總焓;h和V為管路某一截面處的焓值和速度。

4.3 不同開高的排量

蒸汽安全閥開高與排量關(guān)系曲線如圖5所示。可以看出，隨著開高增大，排量從快速增大到逐漸趨于穩(wěn)定。蒸汽安全閥在開高8 mm時(shí)達(dá)到最大排量，而后隨著開高的增大，排量不再變化。可見該蒸汽安全閥的開高設(shè)計(jì)較為合理，在全啟時(shí)能夠達(dá)到最大排放能力。通過計(jì)算得到過飽和蒸汽在安全閥全啟時(shí)的理論排量為16 159.67 kg/h，此時(shí)排量系數(shù)為0.914，滿足出廠設(shè)計(jì)要求。

4.4 上調(diào)節(jié)圈與升力系數(shù)

蒸汽安全閥采用上、下調(diào)節(jié)圈組合的調(diào)節(jié)方式。相對于反沖盤結(jié)構(gòu)安全閥，蒸汽安全閥通過上調(diào)節(jié)圈來改變流動(dòng)介質(zhì)在閥瓣下側(cè)的反射折轉(zhuǎn)角度，從而改變流體作用力的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)升力和回座壓力的目的。

閥門全開時(shí)，進(jìn)口絕對壓力4.25 MPa，上調(diào)節(jié)圈位置與升力的關(guān)系曲線如圖6所示?？梢钥闯?，流體作用到閥瓣的升力隨著上調(diào)節(jié)圈與閥座距離的增大而減小。8 mm開高下的上調(diào)節(jié)圈位置對于蒸汽安全閥升力的調(diào)節(jié)作用比4 mm開高更為顯著。圖6中兩條曲線在上調(diào)節(jié)圈與閥座距離為

3 mm時(shí)存在一個(gè)交點(diǎn)，因此，建議上調(diào)節(jié)圈調(diào)節(jié)范圍控制在1～3 mm之間，在開高8 mm時(shí)能夠得到較好的升力曲線，再通過與選型彈簧配合，可以獲得較好的運(yùn)動(dòng)特性。

4.5 閥瓣結(jié)構(gòu)對升力的影響

圖7為蒸汽安全閥閥瓣結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的速度矢量圖。通過對比分析得到，優(yōu)化后閥瓣通過增大凹槽，充分發(fā)揮了流體的導(dǎo)流作用，流道內(nèi)最大流速從961.6 m/s降低為905.3 m/s，流體流動(dòng)得到有效改善。

圖8為蒸汽安全閥閥瓣結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的開高與升力關(guān)系曲線。可以看出，閥瓣結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，開啟升力得到了總體提高，在安全閥達(dá)到設(shè)計(jì)開高時(shí)，升力系數(shù)提升了15.1%，升力峰值點(diǎn)對應(yīng)的開高增大。隨著閥瓣開高的增大，閥瓣所受升力先增大，在開高7～8 mm之間升力達(dá)到最大，而后隨著開高增大升力降低。因此，優(yōu)化后的蒸汽安全閥有利于彈簧選型，可以避免因開高過大造成流體升力降低進(jìn)而引起閥瓣顫振等問題。

開高與升力關(guān)系曲線

5 結(jié)論

5.1 通過試驗(yàn)和理論方法對所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，模型簡化合理，可以較好地進(jìn)行后續(xù)安全閥在高溫蒸汽介質(zhì)中的研究。

5.2 高溫蒸汽安全閥臨界壓力比在0.400～0.497之間，略小于過熱蒸汽在噴管的臨界壓力比，表明流體流過閥瓣的流阻損失不大，此安全閥具有較好的流道結(jié)構(gòu)。

5.3 當(dāng)開高達(dá)到8 mm時(shí)排放量達(dá)到最大，隨著開高增大排量不再變化，表明實(shí)際結(jié)構(gòu)開高排量符合理論設(shè)計(jì)要求，具有較好的排放特性。

5.4 改進(jìn)后的閥瓣凹槽起到了關(guān)鍵導(dǎo)流作用，改善了流體流過閥瓣和閥座之間流道的流動(dòng)特性，最大流速減小。閥瓣升力特性得到顯著改善，升力系數(shù)提升了15.1%，升力系數(shù)峰值點(diǎn)對應(yīng)的開高增大，有利于彈簧選型，有效減少顫振問題的發(fā)生。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-06-28，修回日期：2024-05-20）