大口径套筒调节阀设计

冰女创新

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(计算流体力学)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。

关键词：流通能力；CFD；Cv

0 引言

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( 油气田) 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) 站的干线管道，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) 的干线管道，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，本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。

表1 某站场介质参数

Table 1 A station media parameters

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。本文采用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、能量守恒方程组成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[1]；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。

图1 设计计算流程图

Fig.1 Design and calculation flowchart

1.2 内部流场的数值模拟

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0.1Mpa 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 上得以显示，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0.25Mpa 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总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[2]。

图4 Z=0 对称面压力云图

Figure 4 Z=0 Symmetrical pressure images

图5 Z=0 对称面速度分布云图

Fig.5 Z=0 Symmetrical speed contours

图6 Y=200 速度分布矢量图

Fig.6 Y=200 Velocity vector

1.4 阀门流量特性曲线拟合

分别建立阀门在不同开度时的三维模型，并经网格划分、CFD 数值模拟分析，计算结果如图7 所示。

图7 阀门在不同开度时Z=0 截面压力分布云图

Fig.7 Z=0 Profile with different opening pressure of the valve contours

图8 阀门在不同开度时Z=0 截面速度分布云图

Fig.8 valve Z=0 profile with different opening speeds contours

依据《GB/T 17213.16-2005/IEC60534-8-4:2005 工业过程控制阀第2-1 部分：流通能力安装条件下流体流量的计算公式》，计算阀门在不同开度时Cv 值大小，如表2 所示。

表2 经CFD 分析后，阀门在不同开度时介质流动参数表

Table 2 CFD analysis of valve flow at different open parameters table

依据此表，拟合流量特性曲线如图9 所示。

2 结论

本文利用计算机辅助设计手段进行了产品设计，其目的在于利用现代化手段缩短产品开发的周期，提高产品可靠度。该方式有如下特点：

1) 建立了虚拟样机，通过理论计算和CFD 数值模拟计算相结合，优化了内部流道，提高了最大流通能力。

2) 满足了各种情况下阀门流动情况的观察，更加直观地理解了内部的流动情况。

3) 通过试验的验证，与计算结果吻合度高，具备了替代试验的条件。节约了费用，缩短了开发周期。