黑水调节阀内闪蒸现象的CFD探索

    引言

    煤气化装置中，气化炉底到高压闪蒸罐及洗涤塔底部到高压闪蒸罐设置黑水调节阀多台。这些调节阀工作温度较高、压降大、灰渣含量也最高，应能够耐受通过阀门压力降引起的高流速，还要耐受闪蒸溶解汽的汽蚀、水的汽化和煤灰颗粒引起的腐蚀及磨蚀。尤其是在第一级闪蒸，黑水从高压经过闪蒸阀直接降到中低压，由于闪蒸出大量工艺蒸汽，物料流过闪蒸阀节流元件的速度非常高，导致阀内件磨损严重，阀门的使用寿命大大降低。因此，针对这类阀门内部的流场进行CFD数值模拟分析，得到可视化的结果，找出其闪蒸、空化的区域对改进设计结构，提高使用寿命至关重要。

    1 黑水调节阀结构简介

    黑水调节阀多为角阀，广泛适用于控制高黏度介质、含有颗粒的流体和泥浆及闪蒸流体等。本文选取DN150，PN11.0的黑水调节阀为研究对象，其三维结构如图1所示。从图1可以看出，该型号黑水调节阀主要有阀体、阀盖、阀杆、阀头、阀座段和扩散段组成。工作时，介质从入口流入，流经阀头与阀座之间形成的节流口，再依次经过阀座段和扩散段后流出，通过阀杆的上、下移动改变阀头与阀座之间的相对位置从而改变流量。

图1 DN150，PN11.0黑水调节阀三维结构简图

    2 数值模拟

    2.1 建模

    分别建立该型号黑水调节阀开度分别为30%、60%时的流道模型，并划分网格，其中开度为30%的流道模型如图2所示。为使流动更充分，出、入口分别延长300mm。

图2 阀门打开30%时的流道三维模型

    2.2 数值计算

    将GAMBIT导出的网格文件读入FLUENT后，选择求解器，求解方程及模型（选用k－ε标准湍流模型）。根据表1提供的计算条件设置流体物性及进出口的边界条件，进行流场初始化，设定控制参数及定义迭代次数后就可以进行求解。

表1 计算条件

    2.3 数值模拟结果分析

    由于该黑水调节阀的固有流量特性为等百分比，主要工作区间为开度为10%～90%，选取30%和60%两个开度进行计算并分析。

    1）开度为30%时的流场特性

    从图3压力云图可以看出，节流口前及节流口后的区域压力分布均匀，不存在压力陡升的区域，节流口处压力骤降，出现一小段负压区，节流口后压力慢慢回升，但至出口始终没有超过介质的饱和蒸汽压力，故从节流口到出口这段区域的压力都小于介质的饱和蒸汽压力，因此该段出现闪蒸现象，该阀门能够实现通过闪蒸将介质压力降下来的功能。

图3 30%开度时节流口处压力云图

    由于出现了闪蒸，流动的液体变成有气泡存在的气、液两相的混合体，两相介质的减速和膨胀作用会形成噪声。

    从图4速度矢量图可以看出，30%开度下，阀门内的流动比较平稳，节流口前后速度较为均匀。

图4 30%开度时节流口处速度矢量图

    闪蒸对阀门的阀芯会产生严重的冲刷破坏，冲刷最严重的地方一般是在流速最高处。从图4～图6可以清楚看出在节流口处出现高速区，应尽量将这些表面硬化，来抵抗高速流的冲刷。

    从图5可以看出，过节流口后有涡流产生，这是因为节流口处的空间不规则，高速射流状态下引起了流动速度的不均匀，旋涡的出现会使零件受力不平衡，产生振动。

图5 30%开度时z=0局部速度矢量图

图6 30%开度时z=0、x=0局部速度矢量图

    2）开度为60%时的流场特性

    从图7压力云图可以看出，60%开度下与前面所述30%开度下的压力分布相似，不过60%开度时节流口处的负压区比30%时扩大了。

图7 60%开度时节流口处压力云图

    从图8速度矢量图可以看出，60%开度下过节流口后的高速区域比30%时有所扩大，这与上面的压力对比是对应的。通过与其他开度下的速度矢量图对比，发现随着开度的增大，过节流口后的高速区域也增大。

图8 60%开度时节流口处速度矢量图

    从图9两个截面的速度矢量图可以看出，过节流口后仍然有涡流出现。

图9 60%开度时z=0、x=0局部速度矢量图

    3 结论

    （1）通过数值模拟得到了黑水调节阀的流场特性，根据流场特性可以判断阀门内部出现闪蒸的区域；

    （2）根据数值模拟结果，在出现高速流冲击的区域可以堆焊或喷焊STL合金，这样可以抵抗高速流的冲刷，从而延长阀的使用寿命；

    （3）闪蒸带来的破坏不易避免，但可以通过降低冲刷性流体的速度来减小破坏，下一步可以尝试改变出口结构，使出口段的流道更符合流线型，以期能够降低高速流的速度，减小高速流区域的面积。

    采用CFD分析方法对黑水调节阀内出现的闪蒸现象进行了初步探索，得到了一些基本结论，由于出现闪蒸时介质已变成气液两相，因此要得到更准确闪蒸对阀门的影响还需要进行多相流的数值模拟。