黑水阀内腔半径对流场的影响分析

2021-03-08冯建东游桃雄

化肥设计 2021年1期

冯建东，游桃雄

(北京航天石化技术装备工程公司，北京 100076)

黑水阀作为煤气化装置中的关键阀门，其工况具有高温、高压差、介质含固量高、强冲刷、强腐蚀、部分介质呈现气液固三相混合的特点，使用环境十分恶劣[1，2]，因此阀门故障成为常态。目前，国内外黑水阀生产厂家虽进行了各种各样的研究，并采取对阀内件材料进行加工硬化处理等方法，使得黑水阀的使用寿命有了较大的提高，但实际上目前市场上黑水阀及内件的使用寿命绝大多数仍不足一年，极大地限制了煤化工的连续化生产，导致生产成本大幅增加。

流体流入阀体后，会在内腔进行整流汇合，再流入在阀头与阀座之间形成的节流口。内腔的整流结果会影响到节流口处的流体流速是否均匀，进而影响阀体在阀座处是否会发生侧冲以及侧冲的角度。然而，随着内腔半径的增加，体积变大，从而导致阀体的质量和生产加工成本大幅增加，这在经济上来说是得不偿失的，因此合理选择内腔的大小十分重要。而目前市面上生产黑水阀的厂家对于内腔半径的选择并没有一个明确的规定，在针对黑水阀流场的研究中也并未涉及这一点。

因此，本文通过SolidWorks三维软件建立黑水阀流道模型，利用Fluent对不同内腔半径的黑水阀进行三维流场模拟，从而为黑水阀的进一步优化设计提供理论依据。

2 数值模拟计算

2.1 模型建立

以DN300mm，DN150mm喉径的球形黑水阀为基础，保证出、入口距中心线长度不变，并尽可能保证入口流道形状一致，设计了4个内腔半径分别为210mm、220mm、230mm、260mm的阀体，并建立流道模型。为提高计算效率，取一半模型进行计算，阀体结构见图1。选取30%，50%开度进行研究，模型网格数量在100万～140万之间，网格划分见图2。

图1 阀体结构

图2 流道网格划分示意

2.2 参数设置

选用k-ε标准湍流模型对流场模型进行求解[3]，介质为水，介质状态为液态，工作密度为998.2kg/m3,入口速度为1m/s，出口压力为0.103MPa。湍流模型为k-ε。

2.3 数值模拟结果分析

2.3.1 流场迹线分析

不同内腔半径下的阀体内部流速迹线见图3和图4。从图中可以看到，随着内腔半径的增加，右侧的球形阀体处流体流动增加，且进入阀座后也相对更加均匀。但4个半径下的阀体在出口处均存在有涡流。

图3 30%开度下流场迹线示意

图4 50%开度下流场迹线示意

2.3.2流场压力分析

不同内腔半径下的阀体压力云图见图5和图6，提取不同内腔半径下的入口压力(见表1)。从表1中可以看到，对于小开度(30%)下的阀体，由于节流口处的流通面积很小，流体流经节流口处的压降损失很大，随着内腔半径的增加，入口压力呈上升趋势。而当开度达到50%时，由于节流口处的流通面积增加，入口压力和节流口处的最大速度虽仍呈现与30%开度相同的趋势，但是变化则相对不大。

从图中可以看到，当流体流至阀头与阀座之间时，流通面积迅速减小，此处的压力也迅速降低，流过阀座后，压力有所回升。根据压力云图看，不同内腔半径的阀体压力分布差别不大。

表1 入口压力 /Pa

图5 压力云图(30%开度)

图6 压力云图(50%开度)

2.3.3流场速度分析

30%开度和50%开度下4个内腔半径的阀体在节流口处的速度矢量图分别见图7和图8。从图中可以看到，随着内腔半径的增加，阀座处流体的侧冲存在一定程度的改善，出口处的涡流也有所减小，但是尚未达到理想的结果。结合流线图分析可知，在不改变结构的前提下，仅增大内腔的半径对于阀体，尤其是在小开度下流体的流动具有改善结果，但是半径的增加会导致生产成本的大幅提高，因此，在实际中应结合生产成本适当增加内腔半径。

提取速度云图中不同内腔半径下的节流口处最大速度，得到的结果见表2。从表2中可以看到，对于小开度(30%)下的阀体，随着内腔半径的增加，节流口处的最大速度则呈下降趋势。而当开度达到50%时，由于节流口处流通面积的增加，节流口处的最大速度虽仍呈现与30%开度相同的趋势，但是变化则相对不大。节流口处的最大速度越小，则表明流体对阀芯和阀座的冲刷作用越小，从这方面来说，增加内腔半径可以增加阀芯和阀座(尤其是在小开度下)的使用寿命。