計算流體力學在控制閥故障分析及結構改進上的應用
孫志民*
（艾默生過程管理（天津）閥門有限公司，天津301700）
摘要：以真實案例為例，利用計算流體力學軟件對問題閥芯進行受力分析，發(fā)現(xiàn)了閥門振動的原因，并通過對仿真矢量圖的分析指出了結構改進的方向。分析證明，新結構的受力情況得到明顯改善，展示了計算流體力學在閥門故障分析和結構改進中的應用。
關鍵詞：計算流體力學(CFD)；控制閥；故障分析；結構改進
中圖分類號：TE624;TQ051.1文章編號0253 - 4320( 2016) 06 - 0176 - 03
DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 06. 043
控制閥（也稱作調(diào)節(jié)閥）是過程控制工業(yè)中最為常用的終端控制單元，其調(diào)節(jié)流體（如氣體、蒸汽、水等）以補償負載擾動并使得被控制的過程變量盡可能地靠近所需的設定點�？刂崎y通常由閥體、閥內(nèi)件、執(zhí)行機構和其他附件組成。由于其最終控制的是流體，所以控制閥設計中的一個重要部分是對閥門中流體流動特性的設計。
計算流體力學( computational fluid dynamics,CFD)是指利用數(shù)值方法通過計算機求解描述液體運動的數(shù)學方程，揭示流體運動的物理規(guī)律，研究定常流體運動的空間物理特征和非定常流體運動的時空物理特征的學科。它與實驗流體力學和理論流體力學共同組成了流體力學體系。相較于實驗和理論方法，其優(yōu)勢在于費用低、周期短、能夠形象地反映流體的運動，從而比實驗和理論計算提供的結果更為直觀和易于理解。當然，其缺點是其對現(xiàn)實反映的真實性還有待進一步論證。
隨著計算理論、流體力學理論、計算機硬件和軟件技術的發(fā)展，計算流體力學已經(jīng)成為了閥門設計的重要輔助工具。多年的實踐證明，其對閥門內(nèi)的流動狀態(tài)和閥門的流量系數(shù)的預測已經(jīng)達到一定精度，對汽蝕、噪聲、振動、磨蝕等特殊工況的模擬也有了一定的進展。
由于流體流動的諸多不確定性以及閥門所在控制回路工況的復雜性，閥門在實際使用中會遇到各種各樣的問題甚至是失效，而這些都是在閥門設計中很難全部考慮到的。因此針對故障工況，進行特定的流體力學分析將有助于工程技術人員了解閥門內(nèi)部的流動狀態(tài)，從而更合理地診斷閥門故障原因以及快速地提出合理的解決方案。本文中通過對具體案例的分析，展示了計算流體力學在輔助技術人員對閥門振動的故障分析和結果改進上的成功應用。
1 案例工況
某煉油廠在其脫硫系統(tǒng)中使用胺液吸收烴類混合氣中的酸性氣體（主要為硫化氫），以產(chǎn)出較清潔的產(chǎn)品，同時保護下游關鍵設備免受損壞。氣流從吸收塔中部進入，與從塔頂進入的吸收液（貧胺液）進行逆流接觸，從而達到吸收的目的，清潔氣體從吸收塔塔頂離開，吸收了酸性氣體的胺液（富胺液）從塔底排出。在離開吸收塔后，富胺液進入閃蒸罐，在閃蒸罐中吸收的大部分酸氣會析出成為廢氣排出。閃蒸罐出來的胺液經(jīng)過再生后回到吸收塔頂循環(huán)使用（如圖1所示）。為了控制吸收塔中的胺液液位，同時排出富胺液，需在吸收塔底部設置液位閥（也稱富胺放液閥）。由于吸收塔與閃蒸罐之間的大壓差，富胺液中吸收的氣體發(fā)生的解吸現(xiàn)象會使閥門中形成兩相流，一相為富胺液，另一相為酸氣。兩相流會造成閥門振動和沖蝕問題，所以此處選用了NPS16帶臟污工況閥內(nèi)件的閥門（如圖2所示）。此閥采用多級降壓方式，以避免氣蝕的產(chǎn)生；總體流動方向為向下，在閥內(nèi)軸向流動和徑向流動相結合，允許大顆粒通過避免了堵塞；保護式閥座設計幫助保持閥門長期關閉的完整性。在開車調(diào)試時發(fā)現(xiàn)在40%行程附近出現(xiàn)閥芯振動現(xiàn)象，在排除操作及其他外因的情況下，懷疑是由于流體流動的原因產(chǎn)生的振動。其操作工況見表1。
2數(shù)值模擬
根據(jù)工況描述，分析閥芯的受力情況，有助于找到閥芯振動的原因。為了更全面地了解閥芯的受力情況，分別模擬了8%、20%、30%、40%、50%、55%、60%、70%行程下閥芯的受力情況。
首先將閥體中流體流過的區(qū)域分離出來，得到流體域，并去除影響網(wǎng)格質量但不影響計算結果的部件間的微小縫隙和零件上的小圓角，然后利用ANSYS Workbench中的網(wǎng)格工具對其進行網(wǎng)格處理。為了更好地再現(xiàn)流體在閥內(nèi)的流動，采用了局部加密的方法以保證其高梯度的位置有足夠多的網(wǎng)格；同時低梯度區(qū)域的網(wǎng)格較粗以節(jié)約計算時間，網(wǎng)格形式為四面體。閥門的進出口設置為壓力進口和壓力出口邊界條件，其余部分設置為壁面邊界條件，為了方便得到閥芯所受到的力，閥芯的表面單獨設置為1個壁面區(qū)域，模型整體設置為流體。為了節(jié)省運算時間，在Ansys Fluent中將四面體網(wǎng)格整體轉換為多面體網(wǎng)格。
通過現(xiàn)場調(diào)查，由于并未發(fā)現(xiàn)汽蝕或解吸現(xiàn)象的發(fā)生，而且胺含量也不高，所以在模擬中使用500C水作為介質，進行單項流穩(wěn)態(tài)模擬。由于操作中的溫度變化不大，因此在模擬中未考慮溫度的影響。湍流模型選用的是Realizable七叩模型。
介質和邊界條件見表2。
運算時選用Pressure based分離式求解器，運算方式為壓力一速度耦合的SIMPLE方式，離散格式采用二階格式。
3結果討論
由圖3可以發(fā)現(xiàn)，閥芯在30%和50%行程處存在巨大的負向力，其中正方向為沿閥桿向閥蓋的方向，負方向為沿閥桿向閥座的方向。振動的原因是由于30%行程時有很大的負向力，執(zhí)行機構為了平衡這個力會通過增大給氣壓力產(chǎn)生足夠的反作用力。當閥芯需要提升至40%行程時，控制器會預設一個壓力給執(zhí)行機構使其上行，以平衡執(zhí)行機構內(nèi)彈簧壓縮時產(chǎn)生的作用力。由于這時閥芯的受力在同步減小，所以這個平衡要比正常時候來得更早，之后閥芯會繼續(xù)向上，閥芯的受力會進一步減小，這樣閥芯就會超過40%的設定點繼續(xù)向上；這時由于位置反饋會使控制器給出信號減小供氣壓力，可是這時閥芯的受力會逐步增大，所以閥芯在達到一個位置后就會向下運動；當閥芯降低至40%行程以下時，由于負向力增大，其會繼續(xù)下行，而控制器根據(jù)位置反饋又會增壓使其上行。由于閥芯在40%行程附近的受力變化巨大，所以很難使閥芯受力平衡而停在設定點，從而形成了閥芯的振動。
從圖4的矢量圖可以看到，閥芯最后一級的區(qū)域存在較大的漩渦使得流動不穩(wěn)，而且也會產(chǎn)生低壓區(qū)。其產(chǎn)生的原因是由于最后一級上部的錐形空間，當流體由這一級的進口流入時，由于上方的空間較大，容易使得流人的流體向上流動然后到達壁面后再向下流動從而形成漩渦。為了減小漩渦的影響，嘗試將其去除。通過重新模擬，從圖5的矢量圖中可以看出，此區(qū)域處的漩渦明顯減小。從圖6新的受力結果可以看出，改進后的閥芯受力變化比較平滑，沒有大的受力方向改變的現(xiàn)象發(fā)生。
4結論
利用計算流體力學模擬軟件對案例中的閥芯振動現(xiàn)象進行了分析，并提供了改進方案。改造前后的閥芯受力情況對比顯示出改進后的閥芯受力情況更為合理，從模擬結果矢量圖可以看出，閥芯最后一級處的漩渦減小，流動更為順暢。從以上的案例可以看出，計算流體力學可以輔助工程師對閥門的故障進行分析，從而有助于解決方案的提出。
