以航天煤化工系統(tǒng)中某型號黑水調(diào)節(jié)閥為研究對象，應(yīng)用CFD數(shù)值模擬方法得到了閥門流場特性的可視化效果，根據(jù)流場特性對閥門內(nèi)部閃蒸現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并給出了對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的建議。

引言

　　煤氣化裝置中，氣化爐底到高壓閃蒸罐及洗滌塔底部到高壓閃蒸罐設(shè)置黑水調(diào)節(jié)閥多臺。這些調(diào)節(jié)閥工作溫度較高、壓降大、灰渣含量也最高，應(yīng)能夠耐受通過閥門壓力降引起的高流速，還要耐受閃蒸溶解汽的汽蝕、水的汽化和煤灰顆粒引起的腐蝕及磨蝕。尤其是在第一級閃蒸，黑水從高壓經(jīng)過閃蒸閥直接降到中低壓，由于閃蒸出大量工藝蒸汽，物料流過閃蒸閥節(jié)流元件的速度非常高，導(dǎo)致閥內(nèi)件磨損嚴(yán)重，閥門的使用壽命大大降低。因此，針對這類閥門內(nèi)部的流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析，得到可視化的結(jié)果，找出其閃蒸、空化的區(qū)域?qū)Ω倪M(jìn)設(shè)計結(jié)構(gòu)，提高使用壽命至關(guān)重要。

1、黑水調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡介

　　黑水調(diào)節(jié)閥多為角閥，廣泛適用于控制高黏度介質(zhì)、含有顆粒的流體和泥漿及閃蒸流體等。本文選取DN150，PN11.0的黑水調(diào)節(jié)閥為研究對象，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，該型號黑水調(diào)節(jié)閥主要有閥體、閥蓋、閥桿、閥頭、閥座段和擴(kuò)散段組成。工作時，介質(zhì)從入口流入，流經(jīng)閥頭與閥座之間形成的節(jié)流口，再依次經(jīng)過閥座段和擴(kuò)散段后流出，通過閥桿的上、下移動改變閥頭與閥座之間的相對位置從而改變流量。

圖1 DN150，PN11.0黑水調(diào)節(jié)閥三維結(jié)構(gòu)簡圖

2、數(shù)值模擬

　　2.1、建模

　　分別建立該型號黑水調(diào)節(jié)閥開度分別為30%、60%時的流道模型，并劃分網(wǎng)格，其中開度為30%的流道模型如圖2所示。為使流動更充分，出、入口分別延長300mm。

圖2 閥門打開30%時的流道三維模型

　　2.2、數(shù)值計算

　　將GAMBIT導(dǎo)出的網(wǎng)格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程及模型(選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型)。根據(jù)表1提供的計算條件設(shè)置流體物性及進(jìn)出口的邊界條件，進(jìn)行流場初始化，設(shè)定控制參數(shù)及定義迭代次數(shù)后就可以進(jìn)行求解。

表1 計算條件

　　2.3、數(shù)值模擬結(jié)果分析

　　由于該黑水調(diào)節(jié)閥的固有流量特性為等百分比，主要工作區(qū)間為開度為10%～90%，選取30%和60%兩個開度進(jìn)行計算并分析。

　　1)開度為30%時的流場特性

　　從圖3壓力云圖可以看出，節(jié)流口前及節(jié)流口后的區(qū)域壓力分布均勻，不存在壓力陡升的區(qū)域，節(jié)流口處壓力驟降，出現(xiàn)一小段負(fù)壓區(qū)，節(jié)流口后壓力慢慢回升，但至出口始終沒有超過介質(zhì)的飽和蒸汽壓力，故從節(jié)流口到出口這段區(qū)域的壓力都小于介質(zhì)的飽和蒸汽壓力，因此該段出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，該閥門能夠?qū)崿F(xiàn)通過閃蒸將介質(zhì)壓力降下來的功能。

圖3 30%開度時節(jié)流口處壓力云圖

　　由于出現(xiàn)了閃蒸，流動的液體變成有氣泡存在的氣、液兩相的混合體，兩相介質(zhì)的減速和膨脹作用會形成噪聲。

　　從圖4速度矢量圖可以看出，30%開度下，閥門內(nèi)的流動比較平穩(wěn)，節(jié)流口前后速度較為均勻。

圖4 30%開度時節(jié)流口處速度矢量圖

　　閃蒸對閥門的閥芯會產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，沖刷最嚴(yán)重的地方一般是在流速最高處。從圖4～圖6可以清楚看出在節(jié)流口處出現(xiàn)高速區(qū)，應(yīng)盡量將這些表面硬化，來抵抗高速流的沖刷。

　　從圖5可以看出，過節(jié)流口后有渦流產(chǎn)生，這是因為節(jié)流口處的空間不規(guī)則，高速射流狀態(tài)下引起了流動速度的不均勻，旋渦的出現(xiàn)會使零件受力不平衡，產(chǎn)生振動。

圖5 30%開度時z=0局部速度矢量圖

圖6 30%開度時z=0、x=0局部速度矢量圖

　　2)開度為60%時的流場特性

　　從圖7壓力云圖可以看出，60%開度下與前面所述30%開度下的壓力分布相似，不過60%開度時節(jié)流口處的負(fù)壓區(qū)比30%時擴(kuò)大了。

圖7 60%開度時節(jié)流口處壓力云圖

　　從圖8速度矢量圖可以看出，60%開度下過節(jié)流口后的高速區(qū)域比30%時有所擴(kuò)大，這與上面的壓力對比是對應(yīng)的。通過與其他開度下的速度矢量圖對比，發(fā)現(xiàn)隨著開度的增大，過節(jié)流口后的高速區(qū)域也增大。

圖8 60%開度時節(jié)流口處速度矢量圖

　　從圖9兩個截面的速度矢量圖可以看出，過節(jié)流口后仍然有渦流出現(xiàn)。

圖9 60%開度時z=0、x=0局部速度矢量圖

3、結(jié)論

　　(1)通過數(shù)值模擬得到了黑水調(diào)節(jié)閥的流場特性，根據(jù)流場特性可以判斷閥門內(nèi)部出現(xiàn)閃蒸的區(qū)域;

　　(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在出現(xiàn)高速流沖擊的區(qū)域可以堆焊或噴焊STL合金，這樣可以抵抗高速流的沖刷，從而延長閥的使用壽命;

　　(3)閃蒸帶來的破壞不易避免，但可以通過降低沖刷性流體的速度來減小破壞，下一步可以嘗試改變出口結(jié)構(gòu)，使出口段的流道更符合流線型，以期能夠降低高速流的速度，減小高速流區(qū)域的面積。

　　采用CFD分析方法對黑水調(diào)節(jié)閥內(nèi)出現(xiàn)的閃蒸現(xiàn)象進(jìn)行了初步探索，得到了一些基本結(jié)論，由于出現(xiàn)閃蒸時介質(zhì)已變成氣液兩相，因此要得到更準(zhǔn)確閃蒸對閥門的影響還需要進(jìn)行多相流的數(shù)值模擬。