煤液化笼式调节阀的空蚀分析及结构改进设计_仇畅.pdf

第 23 卷第 2 期2023年 2月过 程 工 程 学 报The Chinese Journal of Process EngineeringVol.23 No.2Feb.2023Cavitation analysis and structure improvement of cage-typed control valve in coal liquefaction industryChang QIU1,Ruibin GAN2,Yunfei LONG2,Qiang RU2,Jinyuan QIAN1,3,Zhijiang JIN1*1.Institute of Process Equipment,College of Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310027,China2.SUFA Technology Industry Co.,Ltd.,CNNC,Suzhou,Jiangsu 215129,China3.State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310027,ChinaAbstract:Aiming at the common cavitation problem of the cage-typed control valve in the coal liquefaction industry,based on the RANS equation,the mixture multiphase flow model and the Zwart cavitation model,a numerical simulation study of the cavitation flow inside the valve was carried out,and the main reason of the cages failure was determined.Based on the pressure drop analysis and prediction of the cavitation position,a structural improvement scheme of the control valves cage was proposed and verified.The results showed that the cavitation vapor in the control valve was concentrated in the inner orifice of the cage,which was the main reason for the obvious failure defects in the inner wall of the inner orifice and the cage.Based on the comparisions between pressure drop and cavitation vapor distributions on the horizontal cross section of the valve cage,the two reasons for the serious cavitation in the inner orifice of the cage were concluded.Firstly,the number of depressurization stages was not enough,which led to excessive pressure drop in the second stage,resulting in a local low pressure area,and cavitation occurs violently.Secondly,the depth of the inner orifice was too large,resulting in fully developed cavitation in the inner layer orifice of the cage.Thus,the structure improvement scheme was proposed to control the depressurization intensity and the occurrence area for cavitation development in the cage.By adjusting the straight orifice in the inner layer of the valve cage to stepped orifice,the adjustment from two-stage to three-stage depressurization was realized,which solved the problem of local low pressure area caused by excessive pressure drop,and effectively reduced the strength of cavitation initiation and the distribution range of cavitation.This work has a certain reference value for the design and research of the cage-typed control valve in the coal liquefaction industry.Key words:coal liquefaction;cage-typed control valve;cavitation;depressurization stages;inner orifice;structure improvement研究论文DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.221419收稿：2021-12-14，修回：2022-04-12，网络发表：2022-05-23；Received:2021-12-14,Revised:2022-04-12,Published online:2022-05-23基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：52176046)；浙江省重点研发计划(编号：2021C01021)作者简介：仇畅，博士研究生，主要从事特种阀门创新设计研究，E-mail:；通讯联系人，金志江，教授，从事过程工业高效节能技术与绿色装备的研究，E-mail:引用格式引用格式：仇畅,干瑞彬,龙云飞,等.煤液化笼式调节阀的空蚀分析及结构改进设计.过程工程学报,2023,23(2):199206.Qiu C,Gan R B,Long Y F,et al.Cavitation analysis and structure improvement of cage-typed control valve in coal liquefaction industry(in Chinese).Chin.J.Process Eng.,2023,23(2):199206,DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.221419.过 程 工 程 学 报第 23 卷 煤液化笼式调节阀的空蚀分析及结构改进设计仇 畅1，干瑞彬2，龙云飞2，汝 强2，钱锦远1,3，金志江1*1.浙江大学能源学院化工机械研究所，浙江 杭州 3100272.中核苏阀科技实业股份有限公司，江苏 苏州 2151293.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江 杭州 310027摘要：针对煤液化笼式调节阀内普遍存在的空蚀问题，基于RANS方程、Mixture多相流模型及Zwart空化模型，对阀门内部的空化流动进行了数值模拟研究，确定了阀笼失效的主要原因；基于压降分析和预测空化位置，提出了调节阀阀笼的结构改进方案并进行了验证分析。结果表明，调节阀内空化气相集中分布于阀笼内层节流孔，是阀笼中内层节流孔内壁及阀笼内壁存在明显失效缺陷的主要原因；阀笼内层节流孔内空化严重发生的主要原因为降压级数不够，导致第二级压降过快，产生局部低压区，空化剧烈发生；内层节流孔深度较大，导致空化在整个内层节流孔内充分发展；提出将内层节流直孔调整为阶梯孔的结构改进方案，可有效降低空化强度和分布范围。本工作对煤直接液化工程中的笼式调节阀的设计和研究具有一定参考价值。关键词：煤液化；笼式调节阀；空化；降压级数；内层节流孔；结构改进中图分类号：TQ529.1 文献标识码：A 文章编号：1009-606X(2023)020199081 前 言 我国煤炭资源丰富，据2021年10月自然资源部发布的 中国矿产资源报告，截至2020年底，现已探明可直接利用的煤炭储量为1622.88亿吨。我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要明确指出，大力发展绿色经济，推动煤炭等化石能源清洁高效利用，实施能源资源安全战略。对煤炭资源的深度加工和清洁化利用，已经成为我国战略能源储备和替代的必由之路。煤直接液化技术作为煤炭深加工的主流核心技术，已在我国内蒙古、宁夏和新疆等地的多家国家级煤化工基地开展示范推广应用。笼式调节阀作为煤直接液化工程管线中的关键控制部件，具有出口压降大、介质流速高、操作频繁、运行工况多变等特点，流体介质流经阀内节流部位时，流速升高压力降低，介质压力低于饱和蒸汽压导致空化剧烈发生，空化空泡破裂引起的阀内空蚀损伤一直是制约煤直接液化装置安全、稳定、长周期运行的重要阻碍。鉴于空蚀损伤的剧烈性和高危害性，其形成机理和作用过程长期以来一直受到研究人员和科研机构的广泛重视。许多学者针对调节阀内空化、空蚀的预测和预防技术展开了大量的研究，研究内容广泛涉及到空化空蚀机理1,2、实验研究3-5、数值模拟预测6-8、可视化观测9-11、空化空蚀抑制与预防12-15等各个方面，同时取得了许多重要成果，极大地推动了空蚀作用机制研究和空蚀预测、抑制技术的进步和发展。近年来，围绕笼式调节阀内的空化流动及空化抑制，相关学者多从多级降压结构的优化方面开展研究。何庆中等16研究了阀笼层数对阀内空化的影响，发现采用多级阀笼和增加导流槽宽度有助于阀内空化抑制。李连翠等17通过增加笼式阀座的层数，有效降低了阀芯密封线附近的空化强度。方毅芳等18具体研究了调节阀压差及开度对阀笼各级压降及空化程度的影响。上述研究虽都提出了多级阀笼结构的空化抑制方案，但并未就阀笼处结构、压降和空化程度间的影响机制进行深入探究，以提出经济有效的空化抑制方案。针对目前笼式调节阀空化研究中的不足，本工作采用计算流体力学方法，基于Zwart空化模型对煤直接液化工程中笼式调节阀内的空化、空蚀进行数值分析和预测；分析了笼式调节阀内介质流动的压力和空化气相分布，并结合调节阀内阀笼的失效照片阐明了阀笼失效的主要原因；基于失效原因，提出阀笼的结构改进方案以提升煤液化笼式调节阀的抗空化性能和使用寿命，并比较分析了结构改进前后的压降和空化分布，对多开度下调节阀内空化气相总体积和最大体积分数进行了定量分析以验证提升效果。本研究对煤直接液化工程中的笼式调节阀的设计和研究具有一定参考价值。2 数值模型和计算方法 2.1 几何模型研究对象煤液化笼式调节阀安装于煤直接液化装置103单元，该调节阀通过控制介质的回流量间接控制200第 2 期仇畅等：煤液化笼式调节阀的空蚀分析及结构改进设计P205冲洗油泵出口压力，其主要介质为热中压急冷油，操作温度225，该调节阀在工作过程中存在着严重的空化空蚀问题，导致阀笼的严重失效，影响煤液化装置高压冲洗系统的稳定