轴流式核级阀流阻系数测试系统设计

轴流式核级阀流阻系数测试系统设计

1防水锤的特点轴流式回波器广泛应用于油气收集管道、消防和石化输送线、天然气输送和其他泵出口、消防和石化。同时，它具有节能、噪声、振动、隔离速度快、防水锤和低流率等特点。本文从自动化高精度测试系统设计与检测原理出发,探讨压差ΔP和流速V反映轴流式止回阀流阻特性的优点,建议依据流速选取测试点,并提出了不同口径阀门的推荐测试流速范围与取点要求,以期对轴流式止回阀提供更准确的测试技术与数据,为其结构设计提供科学依据。2u3000药压法中流阻系数衡量轴流式止回阀(图1)节能的重要指标是流阻特性或流阻系数。流阻系数是阀门压力损失的一个无量纲系数,其反映了介质通过阀门的流通阻力或者能耗损失。流阻系数取决于阀门尺寸、结构及内腔形状等。ξ=2ΔΡvρV2=2gΔhV2(1)ΔΡv=ΔΡvt-ΔΡt(2)ξ=2ΔPvρV2=2gΔhV2(1)ΔPv=ΔPvt−ΔPt(2)式中ξ——流阻系数ΔPv——被测阀压力损失,MPaρ——水的密度(ρ=1),kg/m3g——重力加速度,m/s2Δh——被测阀水位差,mV——水流速,m/sΔPvt——被测阀与管道的压力损失,MPaΔPt——管道的压力损失,MPa目前,国内外比较常用的止回阀流阻系数检测标准有JB/T5296-1991和BSEN1267-1999。JB/T5296与BSEN1267对测试系统(图2)的取压孔、直管段距离布置不同。JB/T5296在确保取压稳定、减少管道等附加因素对测试阀流阻性能影响上较严格,例如JB/T5296规定,L1、L4≥10D,L2=5D,L3=10D。BSEN1267规定,L1、L3≥10D,L2、L4≥2D(D为管道内径)。3流量流阻测试系统目前,国内设计的流量流阻测试系统从几方面进行了考虑。①工业控制计算机数据监控、采集与处理及测试专用软件的柔性与直观性设计。②减少水汽现象,满足测试稳定性的稳压系统设计。③管路材料的选择。④管路及组件的合理布置,减少管路压力损失及其他测试系统组件对被测阀压力损失的影响。⑤减少汽蚀,确保雷诺数Re>4×104且测试时介质处于紊流状态等。图3所示的流量流阻测试系统主要由循环水池、动力系统、稳压装置、测试管路、数据采集系统和自动控制系统等组成。系统采用充气稳压容器和变频泵将低频脉动消除到最低状态,通过合理布置直管与取压点减少流场不稳定现象,通过不同的变径管路满足DN15～DN500不同阀门的压力和流量测试,通过现代传感技术与计算机数据采集系统(由电磁流量计、压力传感器、差压变送器、温度变送器、数据采集器、计算机和数据处理软件等组成)实现测试过程操作、数据采集与监视(表1)。从测试数据分析,该测试系统的精度优于BSEN1267欧盟标准要求。4流阻系数测试结果分析测试系统实际测试过程中,采集的数据是压力损失ΔPvt、ΔPt(通过压差变送器)及流量Q(通过流量计),而流阻系数则通过式(1)和式(2)计算。从式(1)可知,决定流阻系数ξ的是流速V和压差ΔPv,即ξ是f(V,ΔPv)函数的导出量。JB/T5296中规定,流阻系数测量时,应测定与记录最小流量、最大流量和介于它们之间的均分流量等不少于5种流量下的压力损失,保证紊流状态且雷诺数Re不小于4×104。BSEN1267中规定,流阻系数测量时,应测定与记录最小流量、最大流量和中间流量等3种流量下的压力损失,保证紊流,其雷诺数Re不小于4×104。然后,对上述测量结果分别按式(1)计算流阻系数,取其平均值即为被测阀的流阻系数。分析可知,JB/T5296与BSEN1267在进行流阻系数测量之前,被测阀最大流量假设为已知。目前,部分阀门制造商利用FLUENT和ANSYS等模拟软件,对阀门进行流量与流阻模拟分析并优化,得出阀门的最大流量等参数,对阀门质量改进及结构优化起到了一定作用。但模拟过程多数设为理想状态,而且产品最终生成及质量还取决于加工及壳体等材料成型工艺(如阀门导流流道)和关键零部件材料(如弹簧选材与刚度设计)等因素,且软件是否可靠以及建模是否合理常常会造成较大偏差。Q=π4(DΝ)2V(3)式中DN——阀门公称尺寸,mm若对阀门最大流量取值基于流速V=2m/s并按式(3)计算,将与阀门实际的流通能力和最大流量等参数存在较大的偏差。从DN250轴流式止回阀的流阻系数ξ在流速超过1.5m/s后逐步趋于稳定,及√ΔΡv与流速V近似成线性关系得到验证(图4)。若按JB/T5296与BSEN1267标准的最大流量、紊流状态的假设已知且成立的情况下,按流速2m/s代入式(3)算得值为最大流量。如图4所示DN250轴流式止回阀的流阻系数测试,即取测试点Qmax(V=2m/s)、75%Qmax(V=1.5m/s)、50%Qmax(V=1.0m/s)、25%Qmax(V=0.5m/s)和10%Qmax(V=0.2m/s),其流阻系数测试结果即表2中A组流量系数,平均值ˉξ为4.76。若按图6所示推荐测试取点,即分别取流速为2m/s、2.5m/s、3m/s、3.5m/s和4m/s,则其测试结果即表2中B组流阻系数,平均值ˉξ为0.94。不同测试点结果显示,A组的测试流阻系数平均值与DN250轴流式止回阀的模拟流阻系数值0.67偏差较大,且各测试点测试结果波动很大。B组测试结果的流阻系数平均值与各测试点流阻系数值比较接近,且各测试点测试值分布比较均匀稳定。一般认为,雷诺数Re大于3000的管道介质流动为紊流状态。从表2数据可以看出,A组测试过程中的雷诺数Re均大于JB/T5296与BSEN1267标准规定的4×104要求,即紊流状态。从图4曲线分析可知,A组测试过程中,其前3个测试点(即流速<1m/s)测试时,实际仍处于层流与紊流混合流状态并以层流为主,位于图5的I区,这与该过程中管道内介质的汽化、阀上游压力过低使轴流式止回阀未能全部开启、直管段压差损失及测试管段内部污垢等影响管子流通能力等密切相关。B组测试过程中,各测试点(即流速>1m/s)测试时位于图5中的Ⅱ区正常流量范围,故各测试点测试结果数值均匀稳定,能反映阀门实际流阻性能。测试过程若取过大流速为测试点,则管道中介质将位于图5的Ⅲ汽化区,甚至出现闪蒸,易造成管道腐蚀、测试设备震动损坏、过大噪声及能源浪费,故流阻测试过程建议采用位于图5的Ⅱ区正常流量范围。结合图4和图6,DN250轴流式止回阀流阻系数的测量优选且准确的测试点选取应为表2中的B组,或者流速为2～4.5m/s范围(每隔0.5m/s选取)。因此建议利用压差-流速函数关系,以流速为依据选取测试点。针对轴流式止回阀,推荐采用美国KRVZ公司的轴流式止回阀流阻系数测试点选取参照曲线(图6)选取测试点。①≤DN50,选用1.5～3.5m/s。②DN50～DN100,选用1.5～4.0m/s。③DN100～DN250,选用2～4.5m/s。④>DN250,选用2～5m/s。⑤每隔0.5m/s选取测试点。5涉及到