关于一种新型烟管阀门的分析与研究

陶 力

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

化工、冶金等工程中都会使用大量的烟气净化和除尘设备，这些烟气净化除尘设备与产生废气和烟气的生产设备之间是靠烟气管道进行连接的。在烟气管道上设置有各种功能的管道阀门，其中一种阀门就是用以调节烟气管道通量大小的调节阀门。目前使用的烟气阀门大多数为蝶阀和闸阀，蝶阀是通过阀片在烟管内旋转以改变烟道通量的大小；而闸阀则是通过闸板的上下移动来实现烟管通量大小的调节。阀门在烟管上调节通量大小的过程中势必会对烟气在管道内的的流动产生阻碍和干扰，而理想的调节阀门应该在改变烟管通量的同时尽可能的减少对烟气流动的阻力，做到烟气在通过阀门前后的压力、流速和流动方向保持稳定可靠尽，在有效改变烟管通量的同时尽量减少能量损失。

1 常用阀门种类

目前大量使用的阀门中蝶阀和闸阀最为常见，蝶阀是在管道中设置1块圆形阀板，通过设置在管道中轴线上的回转轴的转动带动阀板旋转来实现管道大小的调节；闸阀则是在阀门上设置垂直于管道轴线的闸板，通过闸板的上下移动来打开或关闭阀门。通过对目前使用的蝶阀和闸阀的研究发现，由于其自身结构的特点，在阀门改变通量大小的过程中都会对烟气气流产生不同程度的影响。对于蝶阀而言，虽然阀板通过旋转打开或关闭，打开的部位能够顺利地通过烟气气流，但是由于阀板位于烟管通道的中央部位，对通过烟管中心位置的烟气会产生较大阻挡，迫使烟气绕道而行。对于闸阀来说，闸板竖直设置在管道横截面上，当阀门需要减小管道通量时，阀板向下移动直接阻挡部分烟气流动，造成管道内部气流紊乱，而且会导致阀门处局部压力损失加大。

2 设计新型管道通量调节阀

在现有阀门的基础上，结合烟气流动的特点，我们重新设计了一种新的管道通量调节阀门，新阀门结构见图1。

该阀门采用多阀片旋转式开合结构，多片阀板通过转销与转盘连接，两瓣阀体将转盘、阀片夹持固定，转盘上的拨杆外露与阀体外与执行机构连接。当执行机构动作后，推动拨杆带动转盘旋转，同时通过转销带动阀片旋转使阀片产生相对移动，从而实现阀门的连续打开和关闭动作。在管道调节阀上安装有驱动装置，驱动装置为阀门调节提供执行动力；管道调节阀的结构类似镜头快门，中间为通孔，驱动装置的动作将调整快门板旋转，使中间通孔向外扩大或向内缩小以实现阀门截面大小的调节，在这整个过程中，通孔大小的变化是平稳且连续的。

利用SolidWorks Flow Simulation有限元软件对新型调节阀门以及传统的蝶阀和闸阀建立三维模型并进行气流调节效果的分析。通过对计算数据进行的分析和比对，掌握各种管道阀门通量调节性能和烟气流动规律，为新型管道调节阀门工程实际应用提供可靠的理论分析依据。为了方便对各种阀门调节效果的对比，我们将统一阀门模型的各项设计参数，其中包括：管道直径、阀门位置、烟气进口流量、烟气出口压力、阀门开度大小等。

分析之前，简单介绍一下SolidWorks Flow Simulation有限元分析软件，他属于一种计算流体动力学(CFD)分析软件，是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。SW Flow Simulation软件使用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解方程组获得场变量的近似值。CFD可以看做是在流动基本方程(质量、动量、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟，通过模拟，可以得到及其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。

分别建立新型调节阀、蝶阀、闸阀的三维模型，管道的通径相同均为DN400，然后将每一种阀门的开度调整为最大通量的1/2开度，同时在管道的进口和出口分别设置相同的气流初始条件。管道进口设置气体(介质为空气)进入的总流量均为：12 000 m3/h(≈3.3 m3/s)，管道出口的环境条件设置为静压(压力值为环境压力)。在管道进口与出口条件相同且管道阀门开度均为管道截面1/2的情况下，通过仿真计算，模拟气流的运动过程，再将3种阀门的模拟结果进行比较，找出每种阀门气体运动的各自特点。由于我们在这个阶段主要讨论的是各个阀门在工作过程中对气流流动的干扰所产生的影响作用，所以这次模拟过程我们暂时不考虑温度的影响。

图2为新型调节阀气体流动压力等高线和气体流动线路图，从图中我们可以看出进口侧(阀门左侧)气体压力值大约在103 562.02 Pa，出口侧(阀门右侧)气体压力值大约在99 739.11～101 377.50 Pa之间。从气体流动压力等高线上可以发现在阀门两侧的气压值变化非常的有规律，压力值的变化层次感清晰、界限分明。从气体流动线路图能够清晰的看到气流运动轨迹，该轨迹最大的特点就是气流整体运行过程被阀门的干扰并不明显，气流主要运行通道仍然是管道的截面中心部位，而且管道中心部位处的运行轨迹仍以直线为主并未受到阀门过多的阻碍和干扰。

图3为蝶阀气体流动压力等高线和气体流动线路图，从图中可以看出进口侧(阀门左侧)气体压力值大约在103 913.11 Pa，出口侧(阀门右侧)气体压力值大约在99 817.13～101 572.55 Pa之间。从气体流动压力等高线上可以发现在阀门两侧的气压值变化也并不是非常的大，压力值的变化比较大的部位主要集中在阀瓣的上方位置。从气体流动线路图可以看出当气体流动到阀瓣位置时，由于阀瓣处于管道流通截面的正中心，因此气流在此受阻后被迫改道向上下两侧流动。当气流进入阀瓣右侧后，由于阀瓣扰流效应的干扰导致气流流动线路产生了偏移，只有管道底部少部分气流保持了直线流动，而管道中部及上部流动方向比较紊乱，有从上向下流动的趋势。

图4为闸阀气体流动压力等高线和气体流动线路图，从图中可以看出进口侧(阀门左侧)气体压力值大约在104 108.16 Pa，在被闸阀阀瓣阻挡处的气体压力值大约为105 200.42；而出口侧(阀门右侧)气体压力值大约在99 192.98～100 285.24 Pa之间。从气体流动压力等高线上可以发现虽然在阀门两侧的气压值变化并不是非常的大，但是由于阀瓣的阻挡作用，导致气体流动出现局部紊乱和涡流现象。从气体流动线路图可以看出当气体流动到阀瓣位置时，因阀瓣切断了管道截面一半的面积，气体流动到阀瓣处被阻挡后向下移动，经过阀瓣后大部分呈直线移动，同时在阀瓣的背后区域出现了压力下降，造成此区域气体流动呈现螺旋涡流状态。

通过上面对3种通气阀门在相同管道截面和开闭状态下的工况实际模拟，可以清晰的看见气体在管道内的压力分布情况，以及气体流动的轨迹曲线。经过比较与分析，新型调节阀、蝶阀、闸阀3种阀门在通过改变管道流通截面调节管道流量的过程都会产生气体的压力变化并且改变气体的流动轨迹，但是新型调节阀对气体流动轨迹的干扰和阻碍影响最小，并且气流在通过阀门前后的压力波动也是最小的，这对于减少气体在流经阀门时造成的能量损失是有好处的。

3 应用分析

新型阀门在烟气管道上安装后的效果图见图5。新型管道调节阀两侧分别与烟气管道连接，阀门上阀片拨杆与驱动装置连接，通过驱动装置提供动力实现阀门开闭。

在具体实施的过程中，阀门的两侧还将安装探测压力变化用的差压变送器以及感知气体流动大小的气体流量计。通过差压变送器或者流量计的信号输出，可以控制驱动装置的伸出和缩回，完成调节阀门的打开和关闭动作，最终实现管道内的气体流量和阀门前后的压差值符合设计和生产的要求。具体实施时差压变送器的输出信号可以按照实际的工况需求提前设定，当阀门两侧的气流压力差值达到设定值时，差压变送器便输出信号控制执行机构动作以打开或关小阀门，使得阀门两侧的气流压力恢复到原来的工作状态，保持烟管内气流工作平稳。也可以对差压变送器输入一个需要的压力差值，使其控制执行机构动作打开或关小阀门，当阀门两侧气流压力差达到设定值后停止执行机构动作，完成烟气通量大小的调节动作以维持阀门两侧压差始终保持在初始设定值。另外，当阀门具体应用在铝电解工业中时，还可以结合铝电解槽对烟气流量和电解槽内温度的控制要求来对阀门进行调节控制。比如，当电解槽内烟气过多或是正处在换极作业时，此时需要加大烟气的收集与排放，保证电解槽内的气体维持负压状态避免烟气的外泄，所以需要控制阀门开启到最大状态全力排放；但是当电解槽内工作平稳烟气量较低或者电解槽处在启动的初期阶段时，需要对电解槽进行保温控制，尽量减少电解槽内因空气流动而造成的热量损失，所以需要控制阀门关闭到最小状态以减少排放。

4 结 语

新型烟气管道调节阀门的出现，对于烟气管道调节阀的选用又提供了一种新的选择。相对传统的蝶阀、闸阀等阀门来说，新型烟气管道调节阀所具有的平稳可靠性和智能可控性使得其优势明显，为今后工业厂房的智能管控(MES系统)升级改造提供设备支持。相信不久的将来，新型烟气管道调节阀门会有更为广阔的发展空间。