軸流式核級閥流阻系數(shù)測試系統(tǒng)設計

軸流式核級閥流阻系數(shù)測試系統(tǒng)設計

1防水錘的特點軸流式回波器廣泛應用于油氣收集管道、消防和石化輸送線、天然氣輸送和其他泵出口、消防和石化。同時，它具有節(jié)能、噪聲、振動、隔離速度快、防水錘和低流率等特點。本文從自動化高精度測試系統(tǒng)設計與檢測原理出發(fā),探討壓差ΔP和流速V反映軸流式止回閥流阻特性的優(yōu)點,建議依據(jù)流速選取測試點,并提出了不同口徑閥門的推薦測試流速范圍與取點要求,以期對軸流式止回閥提供更準確的測試技術與數(shù)據(jù),為其結構設計提供科學依據(jù)。2u3000藥壓法中流阻系數(shù)衡量軸流式止回閥(圖1)節(jié)能的重要指標是流阻特性或流阻系數(shù)。流阻系數(shù)是閥門壓力損失的一個無量綱系數(shù),其反映了介質通過閥門的流通阻力或者能耗損失。流阻系數(shù)取決于閥門尺寸、結構及內腔形狀等。ξ=2ΔΡvρV2=2gΔhV2(1)ΔΡv=ΔΡvt-ΔΡt(2)ξ=2ΔPvρV2=2gΔhV2(1)ΔPv=ΔPvt?ΔPt(2)式中ξ——流阻系數(shù)ΔPv——被測閥壓力損失,MPaρ——水的密度(ρ=1),kg/m3g——重力加速度,m/s2Δh——被測閥水位差,mV——水流速,m/sΔPvt——被測閥與管道的壓力損失,MPaΔPt——管道的壓力損失,MPa目前,國內外比較常用的止回閥流阻系數(shù)檢測標準有JB/T5296-1991和BSEN1267-1999。JB/T5296與BSEN1267對測試系統(tǒng)(圖2)的取壓孔、直管段距離布置不同。JB/T5296在確保取壓穩(wěn)定、減少管道等附加因素對測試閥流阻性能影響上較嚴格,例如JB/T5296規(guī)定,L1、L4≥10D,L2=5D,L3=10D。BSEN1267規(guī)定,L1、L3≥10D,L2、L4≥2D(D為管道內徑)。3流量流阻測試系統(tǒng)目前,國內設計的流量流阻測試系統(tǒng)從幾方面進行了考慮。①工業(yè)控制計算機數(shù)據(jù)監(jiān)控、采集與處理及測試專用軟件的柔性與直觀性設計。②減少水汽現(xiàn)象,滿足測試穩(wěn)定性的穩(wěn)壓系統(tǒng)設計。③管路材料的選擇。④管路及組件的合理布置,減少管路壓力損失及其他測試系統(tǒng)組件對被測閥壓力損失的影響。⑤減少汽蝕,確保雷諾數(shù)Re>4×104且測試時介質處于紊流狀態(tài)等。圖3所示的流量流阻測試系統(tǒng)主要由循環(huán)水池、動力系統(tǒng)、穩(wěn)壓裝置、測試管路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)采用充氣穩(wěn)壓容器和變頻泵將低頻脈動消除到最低狀態(tài),通過合理布置直管與取壓點減少流場不穩(wěn)定現(xiàn)象,通過不同的變徑管路滿足DN15～DN500不同閥門的壓力和流量測試,通過現(xiàn)代傳感技術與計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(由電磁流量計、壓力傳感器、差壓變送器、溫度變送器、數(shù)據(jù)采集器、計算機和數(shù)據(jù)處理軟件等組成)實現(xiàn)測試過程操作、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視(表1)。從測試數(shù)據(jù)分析,該測試系統(tǒng)的精度優(yōu)于BSEN1267歐盟標準要求。4流阻系數(shù)測試結果分析測試系統(tǒng)實際測試過程中,采集的數(shù)據(jù)是壓力損失ΔPvt、ΔPt(通過壓差變送器)及流量Q(通過流量計),而流阻系數(shù)則通過式(1)和式(2)計算。從式(1)可知,決定流阻系數(shù)ξ的是流速V和壓差ΔPv,即ξ是f(V,ΔPv)函數(shù)的導出量。JB/T5296中規(guī)定,流阻系數(shù)測量時,應測定與記錄最小流量、最大流量和介于它們之間的均分流量等不少于5種流量下的壓力損失,保證紊流狀態(tài)且雷諾數(shù)Re不小于4×104。BSEN1267中規(guī)定,流阻系數(shù)測量時,應測定與記錄最小流量、最大流量和中間流量等3種流量下的壓力損失,保證紊流,其雷諾數(shù)Re不小于4×104。然后,對上述測量結果分別按式(1)計算流阻系數(shù),取其平均值即為被測閥的流阻系數(shù)。分析可知,JB/T5296與BSEN1267在進行流阻系數(shù)測量之前,被測閥最大流量假設為已知。目前,部分閥門制造商利用FLUENT和ANSYS等模擬軟件,對閥門進行流量與流阻模擬分析并優(yōu)化,得出閥門的最大流量等參數(shù),對閥門質量改進及結構優(yōu)化起到了一定作用。但模擬過程多數(shù)設為理想狀態(tài),而且產(chǎn)品最終生成及質量還取決于加工及殼體等材料成型工藝(如閥門導流流道)和關鍵零部件材料(如彈簧選材與剛度設計)等因素,且軟件是否可靠以及建模是否合理常常會造成較大偏差。Q=π4(DΝ)2V(3)式中DN——閥門公稱尺寸,mm若對閥門最大流量取值基于流速V=2m/s并按式(3)計算,將與閥門實際的流通能力和最大流量等參數(shù)存在較大的偏差。從DN250軸流式止回閥的流阻系數(shù)ξ在流速超過1.5m/s后逐步趨于穩(wěn)定,及√ΔΡv與流速V近似成線性關系得到驗證(圖4)。若按JB/T5296與BSEN1267標準的最大流量、紊流狀態(tài)的假設已知且成立的情況下,按流速2m/s代入式(3)算得值為最大流量。如圖4所示DN250軸流式止回閥的流阻系數(shù)測試,即取測試點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),其流阻系數(shù)測試結果即表2中A組流量系數(shù),平均值ˉξ為4.76。若按圖6所示推薦測試取點,即分別取流速為2m/s、2.5m/s、3m/s、3.5m/s和4m/s,則其測試結果即表2中B組流阻系數(shù),平均值ˉξ為0.94。不同測試點結果顯示,A組的測試流阻系數(shù)平均值與DN250軸流式止回閥的模擬流阻系數(shù)值0.67偏差較大,且各測試點測試結果波動很大。B組測試結果的流阻系數(shù)平均值與各測試點流阻系數(shù)值比較接近,且各測試點測試值分布比較均勻穩(wěn)定。一般認為,雷諾數(shù)Re大于3000的管道介質流動為紊流狀態(tài)。從表2數(shù)據(jù)可以看出,A組測試過程中的雷諾數(shù)Re均大于JB/T5296與BSEN1267標準規(guī)定的4×104要求,即紊流狀態(tài)。從圖4曲線分析可知,A組測試過程中,其前3個測試點(即流速<1m/s)測試時,實際仍處于層流與紊流混合流狀態(tài)并以層流為主,位于圖5的I區(qū),這與該過程中管道內介質的汽化、閥上游壓力過低使軸流式止回閥未能全部開啟、直管段壓差損失及測試管段內部污垢等影響管子流通能力等密切相關。B組測試過程中,各測試點(即流速>1m/s)測試時位于圖5中的Ⅱ區(qū)正常流量范圍,故各測試點測試結果數(shù)值均勻穩(wěn)定,能反映閥門實際流阻性能。測試過程若取過大流速為測試點,則管道中介質將位于圖5的Ⅲ汽化區(qū),甚至出現(xiàn)閃蒸,易造成管道腐蝕、測試設備震動損壞、過大噪聲及能源浪費,故流阻測試過程建議采用位于圖5的Ⅱ區(qū)正常流量范圍。結合圖4和圖6,DN250軸流式止回閥流阻系數(shù)的測量優(yōu)選且準確的測試點選取應為表2中的B組,或者流速為2～4.5m/s范圍(每隔0.5m/s選取)。因此建議利用壓差-流速函數(shù)關系,以流速為依據(jù)選取測試點。針對軸流式止回閥,推薦采用美國KRVZ公司的軸流式止回閥流阻系數(shù)測試點選取參照曲線(圖6)選取測試點。①≤DN50,選用1.5～3.5m/s。②DN50～DN100,選用1.5～4.0m/s。③DN100～DN250,選用2～4.5m/s。④>DN250,選用2～5m/s。⑤每隔0.5m/s選取測試點。5涉及到