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自控阀门结构对阀门性能的研究及运用
2019-7-12 09:32 中国泵阀第一网 作者:佚名 点击:1575
【中国泵阀第一网 行业论文】通过模拟实际工况下流体在流过自控阀门时的压力分布、流动状态、物态变化等情况,分析阀门结构对阀门使用性能、调节精度及使用寿命的影响,并根据模拟分析找到最佳的一种阀门结构型式,来解决实际技术难题。

摘要:通过模拟实际工况下流体在流过自控阀门时的压力分布、流动状态、物态变化等情况,分析阀门结构对阀门使用性能、调节精度及使用寿命的影响,并根据模拟分析找到最佳的一种阀门结构型式,来解决实际技术难题。

引言

  1. 通过对单座阀与滑板阀阀门结构型式进行工况下的模拟对比分析,详细研究阀门结构对阀门调节性能的影响。

  2. 通过对单座阀、滑板阀结构,详细分析在发生闪蒸、空化工况下,阀门结构对阀门使用寿命的影响。

  3. 指导自控阀门结构设计、优化;指导自控阀选型。

  4. 重点突出新型滑板阀的结构优势,阐述新型结构在解决工况下技术难题(如:冲刷、腐蚀、空蚀)的理论原理。

  5. 研究对象公共参数:公称通径:DN100、节流孔面积:2430mm2。

  6. 研究对象单座阀、套筒阀参数:行程:38mm。

  7. 研究对象滑板阀参数:行程:10mm。

  8. 研究介质:水。

  9. 模拟分析软件为:Solidworks Flow Simulation[5]。

正文

一、概述

单座自控阀是我国于80年代引进的日本Cv3000技术,因具有较好的调节精度和稳定性能,广泛用于石油、化工、煤化工、电力等行业。但是因其S型流道结构,阀门只能被限定在低压差、干净介质工况下使用。

滑板阀是重庆川武仪表有限公司根据近30年在自控阀研发、生产经验,充分考虑客户需求和迫切需要解决的技术难题,结合自控阀行业发展方向而特别研发的一款新型的阀门结构。滑板阀兼具调节和切断双重功能。具有法兰距离短、结构紧凑、重量轻、耗气量少、行程短、动作快、调节精度高、阀位稳定、防空蚀、耐冲刷及密封性能高等特点。主要用在液体、气体、蒸汽工况场合。尤其在不干净介质、结晶结焦介质、粉料介质、黑水灰水介质中,因具有独特的结构优势,比传统阀门结构具有更好的使用效果。

二、不同阀门结构对液体介质闪蒸、空化的影响。

1、闪蒸原理[1]

根据伯努利方程及能量守恒原理,液体介质在流经自控阀门时,因流动方向或者流通节流面积减小,介质的压力能转换为动能,表现为液体介质局部压力减小,流速增加。如果局部压力(Pvc)降低至对应液体温度下的饱和蒸汽压力(Ps)以下时,因此时局部低压压力不足以维持介质的物理状态,这部分液体会直接气化为气体。

2、空化原理[1]

因阀门节流窗口后的腔体或者管道多数情况下都设计得比节流窗口面积要大得多,液体介质在流过自控阀门节流窗口时,介质流速突然减小,根据伯努利方程及能量守恒原理,减小的动能会转换为压力能,表现为液体介质压力增加,流速减小。如果增加的压力(P2)大于液体温度下的饱和蒸汽压力(Ps),此时闪蒸的气体会被增加的压力压迫成液体。根据物质的状态理论,相同质量的物质,在气体状态下的体积远大于液体或固体状态下的体积。在压力管道中的流体,因发生空化现象,气体直接变成液体,使空间的瞬间收缩,在介质压力下产生剧烈的液体冲击力。

如图一、二所示,液体介质流过阀门产生闪蒸和空化的原理图示。

3、闪蒸、空化对阀门寿命的影响

如果空化产生剧烈的冲击力直接作用到阀门的密封构件上,阀门密封构件会遭受到极大地破坏,最终使阀门密封失效。如下图三、四所示为典型的自控阀门遭受到空化破坏失效。

4、阀门结构对闪蒸空化的影响

因闪蒸、空化会造成阀门失效,如何避免这种破坏失效,阀门结构设计就显得尤为重要。

如图五、图六为滑板阀、单座阀在相同工况下水气含量分布图。

注:①图中箭头方向为介质流向

②图中颜色代表是介质中含有水汽的体积分量。

③水气体积分量的值通过颜色对应标识表示。

④介质压差3.5MPa,温度150摄氏度。

从模拟分析可知:

(1)滑板阀结构,介质在节流窗口后发生闪蒸,液体介质直接变化为气体介质。窗口直接后面气体体积分数约35%,窗口有遮挡的部位气体体积分数约为85%,阀后管道约60~70%。在远离阀门节流窗口处,介质空化,气体部分转换为液体(图五未完全显示)。

(2)单座阀结构,介质在节流窗口处同时发生闪蒸和空化现象,介质状态变换围绕整个阀门密封面处。密封面处的气体体积分析约为20~30%。

比较两种结构产生闪蒸、空化现象及分布图可知:

(1)滑板阀闪蒸发生在节流窗口后,空化发生在远离节流窗口的管道中心处,闪蒸和空化都不会对阀门密封面造成物理破坏,密封面从结构设计上受到了很好的保护。

(2)单座阀闪蒸和空化集中发生在节流窗口处,且围绕整个密封面上发生。闪蒸和空化现象对阀门密封面产生极大的物理破坏,密封面完全暴露在空蚀下[2]。

(3)结论:滑板阀结构更适合于液体介质,尤其在有可能发生闪蒸、空化的高压差介质场合使用。

三、流体介质对不同阀门结构的冲刷影响

如下图七、图八所示,为滑板阀、单座阀模拟相同工况下介质的流动轨迹。

注:①图中箭头方向为介质流动轨迹线方向。

②介质压差3.5MPa,温度150摄氏度。

从模拟分析可知:

(1)滑板阀结构,介质直接从节流窗口流过,流动方向与密封面垂直。流动轨迹线清晰,介质流扰动小,涡流现象不明显。介质流动稳定,有利阀后流量计稳定工作。

(2)单座阀结构,介质围绕阀芯从节流窗口流过。流动轨迹线紊乱,有很强的介质扰动,且在节流窗口后产生明显的涡流旋转现象。介质流动极不稳定,不利阀后流量计稳定工作。

比较两种结构流体流动状态可知:

(1)滑板阀结构,阀门密封面与介质流隔离,介质对密封面冲刷磨损极小。介质流稳定。

(2)单座阀结构,介质流直接冲刷磨损密封面。密封面极易因冲刷磨损失效[4]。

(3)结论:滑板阀从结构设计上有效保护了密封面的冲刷磨损,更有利于延长阀门使用寿命。滑板阀适合于高压差、不干净介质、结晶结焦介质工况下使用,而单座阀只能在低压差,干净介质下使用。因滑板阀介质流动稳定,调节精度高,非常适合在高精度调节工况下使用。

四、结束语

1、阀门结构对阀门性能有着极其重要的影响,所以在自控阀选型时一定要根据实际工况选择正确的阀门结构。

2、通过对滑板阀、单座阀结构在闪蒸、空化及介质流动上的模拟对比分析不难发现:滑板阀因其特殊的结构设计,有效地将密封面保护隔离起来,大大提高了阀门的使用寿命,同时也扩大了阀门的使用范围,做到一机多工况下使用。新型滑板阀结构有利于降低工厂资金占用成本,同时提高资金使用效率[3]。

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(来源:中国泵阀第一网)

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