CN110185842B - 一种高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法，属于阀门领域。该方法的步骤包括：根据调节阀的进出口压力，考虑流体的工作温度，计算出不发生阻塞流时的多级降压套筒级数；根据流体的流量和入口处截面积的大小，计算各级套筒的开孔面积；根据阀芯的行程，计算各级套筒的级间间隙；根据阀体材料的许用应力，计算各级套筒的厚度。本发明将套筒的几何结构、设计参数以及阀门的工作要求结合在一起进行优化设计，具有方便快捷、适用性强的优点。

Description

一种高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法

技术领域

本发明属于阀门领域，特别涉及一种高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法。

背景技术

高压差调节阀，即多级套筒调节阀，多用于电站、石化、化工行业及其他高参数工况下，工作介质一般采用高温饱和水或过热蒸汽。多级套筒的存在，使流体流入阀体后经过多次逐级降压，每流过一级套筒就下降部分压力，保证介质增加的流速在一定范围内。套筒分布设计合理，可有效减轻闪蒸、空化现象，避免高速流体对阀内件造成冲蚀，从而延长阀门的使用寿命，并保证设备与***的可靠运行。

目前设计的阀内套筒结构，根据阀腔空间进行各级套筒的设计，套筒级间间隙以及套筒的厚度大多相同，缺乏合理设计套筒结构的依据，虽然也可以满足使用需求，但没有经过优化无法进一步抑制空化、降低噪声。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中高压差调节阀内多级套筒结构设计不合理，容易出现冲蚀造成影响阀门寿命的现象，并提供了一种高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法。该方法可实现现有高压差调节阀内多级套筒结构设计方法的优化，建立在理论的基础上通过公式确定降压套筒的级数、各级套筒的开孔面积、级间间隙以及套筒的厚度，尽量抑制空化等现象，优化调节阀的性能。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法，所述的结构参数包括节流套筒的级数以及各级节流套筒的开孔面积、级间间隙、厚度，该方法包括如下步骤：

S1：设置初始的节流套筒的总级数为n，根据调节阀的进出口压力以及工作流体的工作温度，计算出第i级节流套筒产生的压降和发生阻塞流时第i级节流套筒产生压降的临界值；

其中，第i级节流套筒产生的压降为：

发生阻塞流时第i级节流套筒产生压降的临界值为：

式中：

ΔP＝P₁-P₂

P₁表示高压差调节阀的入口压力；

P₂表示高压差调节阀的出口压力；

F_L表示工作流体压力恢复系数；

F_F表示工作流体的临界压力比系数；

S2：比较每一级节流套筒产生的压降ΔP_i和发生阻塞流时节流套筒产生压降ΔP_i′，确保满足ΔP_i<ΔP_i′，若n级节流套筒中有任何一级节流套筒不满足要求，则使n＝n+1，然后按照公式(1)和公式(2)重新计算ΔP_i和ΔP_i′，直至确定每一级节流套筒均满足要求的节流套筒的最终级数n；

S3：根据S2中确定的节流套筒的总级数n，流体的工作流量和阀入口处截面积的大小，利用以下公式计算各级套筒的开孔面积：

式中：

D表示高压差调节阀入口的截面直径；

ρ表示高压差调节阀内工作流体的密度；

q_m表示高压差调节阀工作时流体的质量流量；

S4：根据各级节流套筒的开孔面积和阀芯的行程，利用以下公式计算各级节流套筒的级间间隙：

式中：

G_i+1为第i+1级节流套筒与第i级节流套筒间间隙，且满足4mm≤G_i+1≤44mm；

h表示阀芯运动的行程；

D_i表示第i级节流套筒的外径；

S5：根据阀体材料的许用应力，利用以下公式计算各级节流套筒的最小厚度：

式中：

[σ]表示阀体材料的许用拉应力。

基于上述方案，本发明还可以提供如下优选方式：

作为优选，初始的节流套筒的总级数设置为n＝2。

作为优选，工作流体的临界压力比系数F_F的计算公式为：

P_c表示绝对热力学临界压力；

P_v表示入口的工作流体温度T下液体蒸汽的绝对压力。

作为优选，所述的工作流体为水。

作为优选，工作流体为水时P_c取22.12MPa。

作为优选，根据每一级节流套筒的开孔面积以及开孔直径，确定每一级节流套筒上的开孔个数。

作为优选，各级节流套筒的实际厚度应当不小于该级节流套筒的最小厚度。

本发明的另一目的在于提供一种高压差调节阀，该阀门内的多级降压套筒结构通过上述任一所述方法进行优化得到的。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明将套筒的几何结构、设计参数以及阀门的工作要求结合在一起，同时根据实际使用时的工况条件对套筒结构参数进行优化。该方法能够适用于不同大小的进出口压力和不同的流体工作温度下的结构参数优化计算，具有较好的普适性；

(2)本发明实现多级降压，确定套筒级数时逐级计算确保每一级都符合条件，最大程度上避免了阀内的闪蒸和空化现象，不会出现出口压力符合要求但内部压力低于饱和蒸气压的情况。经过该方法优化后，阀内最大流速能够降低37.3％，流道内气体体积分数可以从26.37％降低到5％以下；

(3)本发明改变了各级套筒的级间间隙，避免了传统设计节流套筒时保持各级套筒级间间隙相同的做法，外层套筒级间间隙较大，有利于级间压力缓冲、流速逐渐降低，内层套筒级间间隙相对较小，可以节约阀内空间，实现合理利用阀腔；

(4)本发明改变了各级套筒的厚度，避免了传统设计节流套筒时保持厚度一致的做法，外侧套筒比内侧套筒承担着更高的压力，因此套筒厚度由外向内递减可以更好地满足强度要求，节约套筒材料。

附图说明

为使本发明的内容更容易被理解，下面结合附图和实施案例对本发明作进一步详细说明，其中：

图1为高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法流程示意图。

图2为总级数是3的套筒相关设计参数标识图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供一种高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法，待优化的结构参数为节流套筒的级数以及各级节流套筒的开孔面积、级间间隙、厚度。下面结合图1和2详细描述该优化方法的具体步骤：

S1：设置初始的节流套筒的总级数为n(n为自然数，一般初始值设置可为2)，根据调节阀的进出口压力以及工作流体的工作温度，计算出第i级节流套筒产生的压降和发生阻塞流时第i级节流套筒产生压降的临界值；

其中，第i(1≤i≤n)级节流套筒产生的压降为：

发生阻塞流时第i(1≤i≤n)级节流套筒产生压降的临界值为：

式中：

ΔP＝P₁-P₂

P₁表示高压差调节阀的入口压力；

P₂表示高压差调节阀的出口压力；

F_L表示工作流体压力恢复系数；

F_F表示工作流体的临界压力比系数；F_F的计算公式为：

P_c表示绝对热力学临界压力；工作流体为水时P_c取22.12MPa。

P_v表示入口的工作流体温度T下液体蒸汽的绝对压力。

S2：由于ΔP_i<ΔP_i′为非阻塞流情况，为确保经过每一级降压后都不会出现闪蒸或空化，需要比较每一级节流套筒产生的压降ΔP_i和发生阻塞流时节流套筒产生压降ΔP_i′，确保满足ΔP_i<ΔP_i′，若n级节流套筒中有任何一级节流套筒不满足要求，则使n＝n+1，然后按照公式(1)和公式(2)重新计算每一级节流套筒的ΔP_i和ΔP_i′，直至确定每一级节流套筒均满足要求的节流套筒的最终级数n；

S3：根据S2中确定的节流套筒的总级数n，流体的工作流量和阀入口处截面积的大小，利用以下公式计算各级套筒的开孔面积：

式中：

D表示高压差调节阀入口的截面直径；

ρ表示高压差调节阀内工作流体的密度；

q_m表示高压差调节阀工作时流体的质量流量；

根据每一级节流套筒的开孔面积以及预先设定的开孔直径，就可以确定每一级节流套筒上的开孔个数。

S4：得到各级套筒的开孔面积后，已知阀芯的行程，各级套筒的级间间隙可以不相同。若随流动方向逐渐递减，可在流速较大的区域消耗更多能量、更好地实现缓冲。因此，根据各级节流套筒的开孔面积和阀芯的行程，利用以下公式计算各级节流套筒的级间间隙(1≤i≤n)：

式中：

G_i+1为第i+1级节流套筒与第i级节流套筒间间隙，且满足4mm≤G_i+1≤44mm；

h表示阀芯运动的行程；

D_i表示第i级节流套筒的外径；

S5：根据阀体材料的许用应力，考虑到外侧套筒承受压力更高，各级套筒可采用不同的套筒厚度，由外向内逐渐递减，以实现结构优化计算各级套筒的厚度时需满足强度要求，应考虑轴向应力和周向应力的限制，即：

σ_m表示轴向应力；

σ_n表示周向应力；

则利用以下公式计算各级节流套筒的最小厚度：

式中：

[σ]表示阀体材料的许用拉应力。

各级节流套筒的实际厚度应当根据整个阀体的空间布局进行合理选择，但应保证不小于该级节流套筒的最小厚度。

对于任意工作工况下的高压差调节阀，本发明均可以通过上述方法对，阀内的多级降压套筒结构进行结构参数的优化设计，使得其满足不同的进出口压力和不同的流体工作温度，抑制空化、冲蚀等现象，优化调节阀的性能，提高阀门寿命。

本方法根据实际使用时的工况条件进行计算，公式的适用性强。实际工况条件参数及单位如下表：

下面将基于该方法结合实施例来说明本发明的优化过程对于高压差调节阀性能的影响。

实施例：

用上述的方法对入口压力为5.9MPa，出口压力为1.9MPa，流量120t/h，介质为250℃饱和水的疏水高压差调节阀进行多级降压套筒设计。具体步骤如下：

1)设置初始的节流套筒的总级数为n＝2，根据上述公式(1)和(2)分别计算出第i级节流套筒产生的压降和发生阻塞流时第i级节流套筒产生压降的临界值；

2)需要比较每一级节流套筒产生的压降ΔP_i和发生阻塞流时节流套筒产生压降ΔP_i′，确保满足ΔP_i<ΔP_i′，若n级节流套筒中有任何一级节流套筒不满足要求，则使n＝n+1，然后按照公式(1)和公式(2)重新计算每一级节流套筒的ΔP_i和ΔP_i′，直至确定每一级节流套筒均满足要求的节流套筒的最终级数n。本实施例中确定满足使用条件的降压套筒的总级数为3，其中n＝2和3时的计算结果如下表所示：

模拟结果表明，增加3级降压套筒后，最大流速降低了37.3％，流道内气体体积分数从26.37％降低到5％以下，阀门内部几乎不再发生空化现象。

3)根据降压套筒的总级数n＝3，流体的流量和入口处截面积的大小，利用上述公式(4)计算各级套筒的开孔面积。分别取开孔的直径为4mm、5mm和6mm，参考单板孔板计算公式对应不同的孔板流量系数，圆整得出各级套筒的开孔数量：

考虑使用效果和加工成本，最终开孔直径定为5mm。

4)得到各级套筒的开孔面积后，已知阀芯的行程，根据公式(5)得到计算各级套筒的级间间隙并进行圆整：

各级套筒的级间间隙各不相同，随流动方向逐渐递减，可在流速较大的区域消耗更多能量、更好地实现缓冲。

5)根据阀体材料的许用拉应力，按照公式(6)得到各级套筒的套筒最小壁厚，最终确定的各级套筒壁厚为：

考虑到外侧套筒承受压力更高，各级套筒厚度由外向内逐渐递减，可在满足强度要求的前提下实现结构优化。

相比较传统采用相同级间间隙和套筒壁厚的设计方法，本方法优化后的阀体节省了22.8％的空间。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法，所述的结构参数包括节流套筒的级数以及各级节流套筒的开孔面积、级间间隙、厚度，其特征在于，包括如下步骤：

S1：设置初始的节流套筒的总级数为n，根据调节阀的进出口压力以及工作流体的工作温度，计算出第i级节流套筒产生的压降和发生阻塞流时第i级节流套筒产生压降的临界值；

其中，第i级节流套筒产生的压降为：

发生阻塞流时第i级节流套筒产生压降的临界值为：

式中：

ΔP＝P₁-P₂

P₁表示高压差调节阀的入口压力；

P₂表示高压差调节阀的出口压力；

F_L表示工作流体压力恢复系数；

F_F表示工作流体的临界压力比系数；

S2：比较每一级节流套筒产生的压降ΔP_i和发生阻塞流时节流套筒产生压降ΔP_i′，确保满足ΔP_i<ΔP_i′，若n级节流套筒中有任何一级节流套筒不满足要求，则使n＝n+1，然后按照公式(1)和公式(2)重新计算ΔP_i和ΔP_i′，直至确定每一级节流套筒均满足要求的节流套筒的最终级数n；

S3：根据S2中确定的节流套筒的总级数n，流体的工作流量和阀入口处截面积的大小，利用以下公式计算各级套筒的开孔面积：

式中：

D表示高压差调节阀入口的截面直径；

ρ表示高压差调节阀内工作流体的密度；

q_m表示高压差调节阀工作时流体的质量流量；

S4：根据各级节流套筒的开孔面积和阀芯的行程，利用以下公式计算各级节流套筒的级间间隙：

式中：

G_i+1为第i+1级节流套筒与第i级节流套筒间间隙，且满足4mm≤G_i+1≤44mm；

h表示阀芯运动的行程；

D_i表示第i级节流套筒的外径；

S5：根据阀体材料的许用应力，利用以下公式计算各级节流套筒的最小厚度：

式中：

[σ]表示阀体材料的许用拉应力。

2.如权利要求1所述的高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法，其特征在于，初始的节流套筒的总级数设置为n＝2。

3.如权利要求1所述的高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法，其特征在于，工作流体的临界压力比系数F_F的计算公式为：

P_c表示绝对热力学临界压力；

P_v表示入口的工作流体温度T下液体蒸汽的绝对压力。

4.如权利要求1所述的高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法，其特征在于，所述的工作流体为水。

5.如权利要求1所述的高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法，其特征在于，工作流体为水时P_c取22.12MPa。

6.如权利要求1所述的高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法，其特征在于，根据每一级节流套筒的开孔面积以及开孔直径，确定每一级节流套筒上的开孔个数。

7.如权利要求1所述的高压差调节阀内多级降压套筒结构参数优化方法，其特征在于，各级节流套筒的实际厚度应当不小于该级节流套筒的最小厚度。

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