高压差精调型小流量调节阀的设计与仿真实验验证

李武，郝娇山,2

(1． 重庆川仪调节阀有限公司，重庆400707；2. 重庆川仪自动化股份有限公司技术中心调节阀研究所，重庆400707)

高压差精调型小流量调节阀的设计与仿真实验验证

李武1，郝娇山1,2

(1． 重庆川仪调节阀有限公司，重庆400707；2. 重庆川仪自动化股份有限公司技术中心调节阀研究所，重庆400707)

针对高压差小流量调节工况，结合柱塞阀与平衡笼式阀特点，设计了一种新型的精调型小流量调节阀，并借助CFD流体分析软件进行了仿真实验研究。为更好验证该阀门的适用性能，建立三维模型，并将某化工厂的现场工况参数作为边界条件，对模型的内部流动进行了数值模拟计算，获得了内部流场结果。根据结果显示： 该阀门在高压差工况下具有较好的降压效果，可调行好，符合设计的预期目的。

高压差 小流量 仿真模拟 流场

在现代工业生产中，调节阀是流体运输过程中的重要控制元件，是确保各种工艺设备正常工作的关键设备，被广泛应用于电力、化工等领域。随着工业技术的发展，高压差介质工艺装置越来越多，而该工况下运行的阀门极易在节流处发生闪蒸和空化，导致阀内件产生严重气蚀[1]。

针对该类问题，阀门制造商进行了长期的实验研究，并取得了一定的成果。如材料方面，可采用表面涂层硬质合金的方法来延长阀门使用寿命；在阀门结构方面，采用迷宫式、多级菱形、多层套筒等特殊阀内件结构，有效解决了用户端在高压差工况下阀门运行时出现的噪声、气蚀等问题。

然而，针对高压差小流量且要求精确调节的工况，常规的高压差阀门却不能很好地满足要求，如减温减压装置上的减温水调节阀，减温水量的调节精度直接影响二次出口蒸汽的温度和压力的变化，进而对后段的生产工艺产生影响。因此，不论是该类工况下阀门运行性能的保证，还是用户端生产工艺的可靠性保障，设计专用于高压差工况下的小流量调节阀，意义都十分重大。

1 高压差精调型小流量阀的结构特点

高压差精调型小流量调节阀是一种在高压差介质工况下可同时满足小流量精确调节和多级降压的调节阀，其结构简单，零部件的通用性和在线维修都较为方便，能适用于不同压差、不同流量的工况。如阀体、上阀盖、填料部件、执行机构等零部件可与常规高压阀通用；阀内件与阀体间无螺纹连接，便于维修更换。其内件结构如图1所示，主要由阀芯、套筒部件、阀座、密封垫片等零部件组成。其中，套筒部件是由多层套筒集成的整体零件，并根据工况压差设计合理的套筒层数，相邻套筒之间采用分段式结构，使介质“各行其道”，保证每层套筒承担均匀的压降，并按流量特性设计每层套筒上节流孔的数量、大小、排列方式；阀芯采用整体式结构，避开螺纹连接出现的各种问题，并且能保证较好的加工精度。同时，为实现介质的精确调节，阀芯端部按工况所需流量特性设计成曲面形，密封面堆焊硬质合金，从而提高阀芯的抗冲蚀能力。

图1 阀内件结构示意

2 降压原理

该结构是结合柱塞阀芯高可调比的特点以及多层套筒降压消声的优势，通过结构上的“串联”实现优势上的“叠加”，是一种能适应于高压差工况的小流量调节阀。当阀门逐渐打开时，介质流经阀芯后发生第1次压降；接着从已打开的第1层套筒的节流孔喷射进入中间缓冲区，流路在缓冲区内发生转折，介质间相互碰撞，大量消耗静压，发生第2次压降；再经过第2层套筒喷射进入阀体内腔，形成淹没射流，射流速度在阀体内腔急剧下降，并形成大量小尺度涡流，实现第3次压降。在逐级降压的同时，流速也得到了控制，不仅减小了湍流强度，还有效降低了噪声、避免了振动现象的发生。从闪蒸的角度考虑，介质发生每级降压后，压力值均不低于饱和蒸汽压，使得闪蒸发生点后移至阀体内腔，从而有效地避免了介质对阀内件的气蚀，延长了阀门的使用寿命。

3 阀门内部流场模拟计算

3.1 模型建立

使用Siemens NX建立“阀芯+2层套筒”流体域三维模型。口径为DN25，公称压力为Class600，CV值为1，开度为85%，并按GB/T 17213.9—2005《工业过程控制阀》 第2—3部分： 流通能力 实验程序[2]中物理实验的规范对阀体的进、出口端进行延伸处理。为提高计算效率，模型采用50%对称模型，如图2所示。

图2 阀门50%流体域模型示意

3.2 网格划分

采用Fluent Mesh对流体域模型进行网格划分。设置合理的网格尺寸，在保证较好的网格质量的同时，还需保证合理的网格数量[3]。其中进、出口端直管部分采用六面体网格，且直径方向不少于25个网格；由于阀芯与阀座节流间隙流速和压力梯度较大，因而需进行局部网格细化，且保证水平截面同方向不少于6个网格，通过模型剖分，可采用六面体网格划分；其他区域可采用四面体网格划分，需保证套筒上所有节流孔的直径方向不少于5个网格。经划分，该模型共生成105万个网格。

3.3 边界条件设置

根据某电厂减温减压装置中减温水调节阀参数： 介质为水，T=105℃，阀前压力p1=5.5 MPa，阀后压力p2=0.4 MPa。阀门进、出口均设置压力边界条件；假定系统内部为绝热流动，流体无热传导现象，所以不考虑能量方程；参考压力设为0.1 MPa；选用Standardk-ε湍流模型；近壁面采用标准地面函数；以连续性方程、动量方程和基于各向同性涡黏性理论的k-ε方程组成数值模拟的控制方程组，以数值分析方法将方程组离散至所有网格点上，进而求解流动区域内的离散数值解。为平衡计算精度和计算效率，压力离散格式用Stand格式，其他方程离散格式采用二阶迎风[4-8]。

3.4 仿真结果

将管道轴线中心与阀门纵向中心线交点作为原点，并在Y=0平面设置4个监测点A(4.3，0，-6.5)，B(6，0，10.5)，C(14，0，25)，D(24.5，0，27)进行压力值监测，经数值模拟计算并获得计算结果。对称面压力云图如图3所示，可以看出介质在流经阀芯及套筒部件后，压力明显降低，测得4个监测点压力值分别是：A点5.35 MPa，B点4.19 MPa，C点2.37 MPa，D点0.67 MPa；对应的压差是： ΔpAB=1.62 MPa，ΔpBC=1.54 MPa，ΔpCD=1.55 MPa。由此可知，介质压力在阀内逐级降低，且每一级降压承担了基本相同的压差。图4为对称面上压力散点图，该图可更为直观地看出： 介质在进、出口直管段压力平稳，而在阀内件中间区域发生了3次压降，且压降梯度均匀。

图3 对称面压力云图

图4 对称面x方向压力分布散点图

介质流速云图如图5所示，可以看出阀门进、出口端流速较低，而介质最大流速位于节流孔中

心，并且各孔流速均匀分布，当高速射流进入阀体内腔后，形成“淹没射流”，流速迅速降低。由此说明，套筒为阀门内部流阻最大的元件，几乎承担了阀门全部的压降。另外，内部流场出现较大涡流的区域主要是阀芯节流区域、套筒缓冲区域、阀体内腔区域，介质主要在以上3个区域内生成了较强的湍流，消耗了大量的压力能，使得压力降低。

图5 对称面介质流速云图

4 结 论

1) 提出了一种能适用于高压差小流量工况的调节阀设计方案，并分析了其结构特点和降压原理。

2) 建立三维模型，并按某电厂实际工况作为实验边界条件，采用CFD仿真分析软件对模型进行了数值模拟计算。结果显示： 该结构阀门在高压差工况下具有较好的降压效果，压降分布均匀，流速得到了有效控制。

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[2] 王群增，郑秋萍，王燕，等.GB/T 17213.9—2005 工业过程控制阀[S].北京： 中国标准出版社，2005： 9.

[3] 李大鸣，范玉.计算流体力学[M].天津： 天津大学出版社，2014.

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[5] 彭龑，宗亮宇，李淇阳.基于CFD 的 V 型孔板调节球阀数值模拟研究[J].机械工程师，2014(03)： 89-91.

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Design and Simulation Experiment Verification of a High Pressure Differential and Small Flow Control Valve

Li Wu1, Hao Jiaoshan1,2

(1. Chongqing Chuanyi Control Valve Co. Ltd., Chongqing, 400707, China;2. Technology Center of Chongqing Chuanyi Automation Co. Ltd., Control Valve Research Institute, Chongqing, 400707, China)

s： Aiming at working condition of high pressure differential and small flow regulation, combining with advantages of single seated control valve and balance cage control valve, a new type fine adjustment small flow control valve is designed.Simulation research is conducted with the help of CFD fluid analysis software.To better verify the applicable performance of the valve, 3D model is established.The working condition of one scene of a chemical plant parameters is used as boundary conditions, numerical simulation is carried out in internal flow of the model, the internal flow field results is obtained.The results show the valve has better depressurization effect for high pressure differential. The regulation performance is good with complying with the intended design purpose.

high pressure differential; small flow; simulation; flow field

李武(1983—)，男，汉族，陕西西安人，现就职于重庆川仪调节阀有限公司，主要从事各种控制阀的技术咨询工作，任助理工程师。

TH702

A

1007-7324(2017)04-0045-03

稿件收到日期： 2017-03-09，修改稿收到日期： 2017-06-18。