大口径套筒调节阀设计
胡建,吴绪敏
(重庆川仪调节阀有限公司,重庆400700)
摘要:大口径调节阀具有控制精度高,流量大等特点,广泛应用于长输油、天然气管道的站场调节等工况。本文以国内某场站大口径阀的设计为例,利用现代设计手段,通过CFD就算流体力学软件模拟,拟合了流量特性曲线,优化阀门内部流道结构,降低阀体本身的流阻系数,提高了流通能力。
随着社会的发展,对能源的需求增加很快,再加上西气东输等工程的实施,长距离管道输送得到大量应用。长输管道是指将石油(天然气)从其开发区(油气山)输送到石油天然气加工企业、铁路、河运和海运装油(气)点及输
送泵(分输)站的十线管道,或将石油天然气从泵站、压气站、配气站输送至城镇消费区油库、储气库(罐)的十线管道,一般口径都在200mm以上。长输管道由线路和站场两部分构成。站场内主要对介质收集、储存、计量、加压等,
木文主要就站场内大口径调节阀的设计加以阐述。
1 阀门设计
本文选用国内某站场数据进行设计,主要参数见表。
1.1 阀内流道设计
调节阀流道设计是很重要的,直接影响产品的流通能力。木文采用CFD仿真实验的方法,利用三维建模软件对DN600型套筒调节阀流道进行了三维设计,得到阀门流通区域的三维模型;再以连续性方程、Reynolds、应力平均法
简化的三维瞬态N-S方程、能量’护恒方程组成CFD仿真分析的的控制方程,并用有限体积法对控制方程进行离散’‘’;然后根据《GB/T 17213.2-2005:1998工业过程控制阀》中的相关规定,同时参考实际提供的工况数据,设定适当的边界条件,得到阀门内部流体流动仿真分析模型;最后利用流体分析软件进行数值求解和优化,得到合适的内部流路。其设计流程如图1所示。
1.2 内部流场的数值模拟
图1 设计计算流程图
Fig.l Design and calculation flowchart
利用三维实体建模软件,建立阀腔内部流道模型,如图2所示。该模型由外部阀腔流道与内部套筒流道2部分组成。根据工业过程控制阀第2-3部分,流通能力实验程序(GB/T 17213.9-2005/IEC 60534-2-3:1997) 对试验管道的要求,对外部阀腔流道的进出口都进行延伸,入口端的延伸长度为管道公称通径的2倍,出口为6倍,以使模拟计算时流道两端的流动得以充分发展,提高计算结果的精确性。
图2 阀门内部流道三维模型
Fig.2 Valve internal flow model
图3 二分之一模型网格划分
Fig.3 One-second model grid
1.3 数值模拟分析结果
根据实际介质参数,通过初步计算,设置进口流速为4.38m/s,出口压力为0.1Mp。边界条件,经数值计算,计算结果如图4、图5和图6所示从流场压力云图4可以看出,介质从直管道进入变径管后,因渐缩管的流阻作用开始产生压降,并在介质流经套筒、阀体内腔后实现最大压降。由伯努利方程可知,流体压力变化和速度成2次方正比关系,这在速度云图5上得以显不,并从该图可以看出,介质最大流速集中在套筒窗口位置。
由图4可以看出,阀门进口压力为0.4Mpa,出口压力为0.1Mpa,介质流经窗口实现0.25 Mpa压降,在阀座出口至阀门出口位置,流向转变实现再次降压,大约为0.05Mpa;从图6(速度矢量图)可以看出,4个窗口节流处流速较大,在小开度时,各窗口流通量大致相同,随着开度逐渐加大,正对窗口位置的窗口通量占,急流通量比例逐渐增加,这完全符合流体力学中介质流动理论,4个窗口圆周均布,介质由外流入,在套筒中间位置发生对冲,消耗能量,实现压降。阀体流道建模符合介质流动特性,减小了近壁面紊流强度,从而有效降低阀门振动。
(来源:中国泵阀第一网)
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