超超临界水位调节阀流量特性研究

于海波　沈明启

摘要：本文介绍了使用ANSYS CFX软件对超超临界水位调节阀进行流量特性分析的方法

关键词：超超临界；调节阀；流量特性

引言

现代工业，调节阀有着非常重要的地位和作用，它是形成工业自动化系统的重要组成部分，这些系统无论是实现能量的交换，还是压力的转变等都需要使用调节阀去实现控制。调节阀是控制元件的最主要的型式之一，按功能分，其主要类型包括稳定压力用调节阀、V型缺口单座阀和双座阀调节阀、隔膜阀、蝶阀、球阀、套筒阀、偏心旋转阀、精小型调节阀、全功能超轻型阀等。

超超临界水位调节阀安装在1000MW超（超）临界发电机组储水罐与冷凝器之间的管道上，它的主要目的是当系统处于锅炉加水，清洗和锅炉启动阶段时，在出现储水罐水位超过系统安全限值的情况下，通过水位调节阀向冷凝器疏水以防止水位超标，保护系统的安全性和顺利运行。锅炉在湿态运行时，省煤器入口的最低安全流量由水泵来进行控制，当储水罐水位在运行过程中需要调节时，则要启动循环泵出口的调节阀进行调节，随着水位逐步提高，储水罐液位则将通过安装在储水罐处的水位调节阀进行液位调整和控制。

1.流量特性类型

流量特性是指阀门在不同的相对开度下，流量与位移的曲线关系，因此可以得出阀门的流量取决于阀门的压降，比如可以通过改变调节阀阀瓣和阀座密封面间的间隙面积来调节流量。流量特性一般有五种形式包括线性特性、平方根特性、等百分比特性、双曲线特性、快开特性等，目前大多数的调节阀都是采用线性和等百分比特性。

直线特性即调节阀的流量变化与阀杆的行程成线性关系，是一种最理想的特性，因为在压降过程中，流量特性是一个恒定的常数。直线特性在阀门开度较小时，其流量变化速度较快，调节流量的幅度比较强，在开度进一步增加后，流量变化速度较慢，调节流量的幅度就较小开度时小，调节的时效性不够。

等百分比特性是应用比较广泛的流量特性关系，其变化规律是一个数值确定的百分比。等百分比特性在阀门开度较小时，流量也比较小，变化值也相对较小，调节阀的调节作用比较稳定，在开度较大的场合，流道的流量也比较大，其调节比较迅速，灵敏度较高。与直线特性相比，当阀门的开度一定时，其流量比直线特性小。

安装流量特性是指阀门安装后的实际流量特性，它不是在恒定压降下进行研究的，其压降随着流量的变化而变化。在系统中，阀门安装后，管道和设备两端产生压降损失，压降损失由静压头损失和动压头损失组成，流量动压头损失曲线称为系统阻力曲线，对曲线进行分析可以得出以下结论：

1.1如果系统安装有压力泵，调节阀的压降则等于系统在额定流量下丫头损失的33%；

1.2如果系统安装有离心压缩机，压降值为吸入段压力的百分之五，或者为系统压力损失的一半。

1.3在仅有静压力的情况下，介质从压力容器流向另一个容器里，调节阀压降为压力较低端的百分之十，或者为系统压力损失的一般。

1.4安装在透平、再热器等整齐管道上的调节阀，其压力降要到达设计压力的百分之十。

1.5当调节阀压力降所占系统压力降的比例较小时，其安装流量特性为快开式，具有线性特性的阀门调节性能则出现较大变化，不能够满足调节特性的基本要求，具有等百分比特性的阀门调节性能则在形状上更加接近直线型，更加适合调节需求。

2.ANSYS CFX软件简介

ANSYS CFX是目前世界范围内规模最大，最专业的的商业CFD软件，其可计算的物理问题包括各种流动如亚临界、超临界等、传热如导热、多相流如欧拉和拉格朗日粒子、化学反应和燃烧等多组分问题，还拥有诸如气蚀、流动耦合、沸腾、相间传质、多重旋转坐标系、非牛顿流、并行计算、二次系统开发、真实气体等大批复杂现象的实用模型。在湍流模型中，纳入了RANS模型、SST模型、DES模型、LES模型等。

3.基于ANSYS CFX的流体性能分析

3.1建立有限元模型

根据阀门的开关特性及结构的对称性，利用SOLIDWORK建立调节阀开度10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%及100%的1/2流体模型。

3.2网格划分

根据不同开度的网格参数，包括网格大小、局部网格数量、节流位置参数、总网格数等进行网格划分。

3.3 求解

将在ANSYS ICEM CFD划分的有限元模型，导入ANSYS CFX Pre中，并根据不同开度下选择入口参数、出口参数、收敛方式进行初始条件设置，选择湍流模型，经分析，其最终过程为收敛。

4.结论

根据得到的结果，计算得到流阻和流通能力，通过理论计算与分析Kv对比分析可知，使用ANSYS CFX软件进行流量特性分析的结果满足等百分比要求，与理论计算曲线吻合度很高。因此，采用ANSYS CFX分析流通能力的方法是合理的、正确的。

参考文献：

[1]王松岭等.流体力学[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]孙纪宁.ANSYS CFX 对流传热数值模拟基础应用教程[M].北京：国防工业出版社，2010.

作者简介：于海波（1983-），男，工程师，从事阀门技术工作。