高炉鼓风系统止回阀节能改造的数值模拟.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 l 2期 流体机械 5 5 文章编号 1 0 0 50 3 2 9 2 0 1 4 1 2 0 0 5 50 4 高炉鼓风系统止回阀节能改造的数值模拟 左可 ， 谢建中 ， 罗雨慧 ， 桂其林 ， 郁鸿凌。 1 ． 上海理工大学， k 海 2 0 0 0 9 3 ； 2 ． 宝L L J 钢铁股份有限公司能源部 ， 一 k 海 2 0 0 9 4 1 摘要 针对高炉鼓风系统止回阀流阻高、 能耗高的问题， 提出了止回阀节能的改造方案， 即对阀瓣加强筋作开流孔与 圆角处理。使用了C F D软件模拟阀内流动， 分析了流场情况， 计算了流体流经阀门的压力损失， 初步探讨了改造后的止 回阀的节能潜力。 关键词 止回阀； 改造； 数值模拟 中图分类号 T H1 3 7 ． 3 文献标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 4 ． 1 2 ． 0 1 2 Nume r i c a l S i m u l a t i on o f Ene r g y Sa v i n g o f Ch e c k Va l v e f o r Bl a s t Fur na c e S ys t e m Z U O K e ， X I E J i a n ． z h o n g ， L U O Y u ． h u i ‘ ， G U I Q i ． 1 i n ， Y U H o n g l i n g ． 1 ． U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t o f e n e r g y o f B a o s t e e l I r o n＆S t e e l C o ． L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 0 9 4 1 ， C h i n a Abs t r a c t Fo c u s e d o n t h e s o l u t i o ns o f h i g h r e s i s t e nc e a n d hi g h e n e r g y c o n s u mpt i o n o f t h e c h ec k v a l v e i n a bl a s t f u r n a c e s y s t e m． Bu i l d i n g o r i fi c e s o n t h e r i b s o r r o u n d i n g t h e r i b s w a s p r o v e d t o b e h e l p f u l i n r e d u c i n g t h e fl o w r e s i s t a n c e o f t h e c h e c k v a l v e ． An a l y s i s o f t h e fl o w fi e l d a n d c a l c u l a t i o n o f t h e p r e s s u r e l o s s we r e c o mp l e t e d b y u s i n g t h e C F D s o f t w a r e s t o s i mu l a t e t h e fl o w i n t he va l v e ． The p o t e nt i a l e n e r gy s a v i n g o f t he mo d i fie d c h e c k v a l v e wa s p r o s pe c t e d． Ke y wor ds c he c k v a l v e； mo d i fic a t i o n； nu me r i c a l s i mul a t i o n 1 前言 某钢炼铁厂装备 4座高炉， 备有 5台高炉鼓 风机 ， 单 台由功率 为 4 8 0 0 0 k W 的同步 电动 机驱 动 ， 采用 4用 1 备运行模式 ， 向 4座高炉全年连续 送风。整个鼓风站的电能消耗约为每年 1 0亿度 ， 约 占到公司的总电耗 1 0 ％ ， 是名副其实 的耗能大 户。在高炉鼓风机 的出 口管道上 ， 为防止出 口管 道的气流的倒流而设置了保护用止 回阀。流体流 经阀腔结构元件时 ， 流动层分离， 形成涡流 、 剧烈 紊乱和发热等 ， 造成 阀腔内压头损失 ， 对鼓风机的 能耗影 响为 0 ． 3 ％ ～0 ． 7 5 ％ ， 电耗损失达 3 0 0多 万度。如图 1所示 ， 该止 回阀系偏心、 倾 斜式 、 带 阻尼缸 与配重 锤 的 自动类 蝶 阀， 其公 称直 径为 1 5 0 0 mm。当介质停止流 动或倒 流时 ， 蝶 板靠 自 身重力和倒 流介质 作用 而旋转 到阀座上 J 。由 收 稿 日期 2 0 1 4～0 8 0 1 ； 修稿 日期 2 0 1 41 0 0 9 于这种 防倒 流 的偏 心 设 计 ， 止 回 阀无 法 达 到 1 0 0 ％的开度。止回阀最大 回转角度为 5 5 。 此时 即最大开度 7 0 。 ， 正常运行时阀瓣保持 7 0 。 的开 度。为达到工程强度 ， 回转轴与 阀瓣问装有 6个 加强筋。 自动类止回阀要 安全地实现逆止功能 ， 阀瓣 倾角 最大开度 不可轻易更改。为 降低其流 动 的局部损失 ， 根据 阀体腔 内流场分布对 阀芯的加 强筋作开流孔处理 ， 对筋的迎 、 背风面进行合适的 圆角处理 ， 使流体绕流 的截面符合流线型_ 2 J 。近 年来 ， 科研人员开始趋 向于使用计算流体 C F D 软件对复杂流动情况进行数值模拟。C F D较之 实验方法 ， 它的优势在于能在十分低的成本下测 试不同的流动状态 _ 3 ] 。本 文针对带阻尼缸 与配 重锤的倾斜式 自动止 回蝶阀采用 了 F l u e n t 1 4 ． 5 A n s y s I n c ． ， U S A 对其 阀内流动进行有限体积法 58 FLUI DmACHI NERY Vo 1 ． 42， No ．1 2， 2 01 4 现象十分显著； 且通过对 P C O Z面的观察 ， 发现阀瓣 处的二次流现象严重 ， 如 图 7所示。漩 涡、二次 流现象均为造成流动能量损失 的原因 m 。静 压力图显示， 轴迎风面附近压力梯度非常大， 即压 力变化迅速 ， 间接地说 明此处的能量损失大。 O n x 撼0 a 模 型 I阀瓣 处横 截面速度 矢量 7 ． 20 e 01 ．谬 一 b 模型 Ⅱ阀瓣处横截 面速度矢量 图7 二次流示意 计算得 出 进出 口之间压力损失为 1 8 2 5 P a ， 止回阀的局部阻力系数为 1 ． 9 1 。 模 型 Ⅱ与模 型Ⅲ的场图较模 型 I的基 本一 致 ， 故不赘述 ， 其计算结果见表 1 。 表 1 两种 改造 方案的阀门阻力性 能 模型 I 模型 Ⅱ 模型Ⅲ 项 目 原始 ， 开流孔 、 未改造 开流孔 圆角处理 阀进出 口 1 8 2 5 1 7 8 4 l 7 7 2 压力差 P a 阀局部 1 ．9 1 1 ． 8 7 1 ． 8 6 阻力系数 对 比原始的压力差 4 1 5 3 降低值 P a 对 比原始 的压力差 2 ． 1 2 ． 9 降低百分比 ％ 4节能潜力 经改造后的止回阀的流阻系数明显减小。对 阀瓣加强筋开流孔 ， 可减少过流壁面对流体的摩 擦阻力； 对阀瓣加强筋作圆角处理， 可以使得绕流 截面更加符合流线型 ， 从而减小阻力。 由逆止阀阻力而损失 的有效功功率计算式 p一 1 0 0 0 式 中9 流量 ， i n ／ s A p压力损失 ， P a 由此损耗的风机原动机输入功率为 AP 。 叼 式中 叼风机综合效率 该风机在 目前运行工 况点的综合效 率约为 8 1 ％ ～8 3 ％， 若按 照 4台鼓风机每台鼓风量 6 9 5 2 N in ／ ra i n 计 算， 2 k P a的逆止阀压力损失可造成 3 9 0万 k W h ／ a的电能消耗 ， 这与实际中设备运行 经验一致。由此 ， 模型Ⅱ 每年可节电约 8万 k W h ， 模型Ⅲ每年可节电约 1 0 ． 3万 k W h 。以上结论对 高炉鼓风系统止 回阀的改造具有重要参考意义。 参考文献 [ 1 ] 机械工业部合肥通用机械研究所． 阀门[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 4 ． [ 2 ] 赵国玺， 汤荣铭， 王学芳 ， 等． 蝶式止回阀流阻特性 及其相关结构元件几何要素的研究[ J ] ． 流体机械， 1 9 9 6， 2 4 1 6 9 ． [ 3 ] Wa n g L H， C u i J J ， Y a o K J ． N u me ri c a l S i m u l a t i o n a n d An a l y s i s o f Ga s F l o w F i e l d i n S e r r a t e d Va l v e C o l u mn [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 1 6 4 5 41 5 4 6 ． [ 4 ] V e r s t e e g ， H K， M a l a l a s e k e r a W． A n I n t r o d u c t i o n t o C o m - pu t a t i o n a l F l u i d Dy na mi c s；t h e Fi n i t e Vo l u me Me t h o d [ M] ． N e w Y o r k Wi l e y ． 1 9 9 5 5 1 3 7 ． [ 5 ] L a u n d e r B E， S p a l d i n g D B ． T h e n u m e r i c a l c o m p u t a t i o n o f t u r b u l e n t F l o w s [ J ] ． C o m p u t ． Me t h o d s A p p 1 ． Me c h． En g ．． 1 9 7 4． 3 26 9 28 9． [ 6 ] Y a k h o t V， O r s z a g S A ． R e n o r m a l i z a t i o n g r o u p a n a l y s i s o f t u r b u l e n c e B a s i c t h e o r y [ J ] ． j ． S c i ． C o m p u t ． ， 1 9 8 6 ， 1 3 - 1 1 ． [ 7 ] K i m S E， C h o u d h u r y D ， P a t e l B ． C o mp u t a t i o n s o f C o m p l e x Tu r b u l e n t F l o w s Us i n g t h e C o mme r c i a l C o d e AN S Y S F L U E N T[ C] ．I n P r o c e e d i n g s o f t h e I C A S E ／ L a RC ／ AF O S R S y mp o s i u m o n Mo d e l i n g C o mp l e x T u r bn l e nt Fl o ws ． Vi r g i ni a Ha mp t o n， 1 99 7． 下转第 5页 2 0 1 4年第 4 2卷第 l 2期 流体机械 5 言 暑 、 量 一 2 0 5结论 3 5 7 水 MP a a 喷嘴 A 苫 量 之 0 一 曼 舞 童 2 5． 0 0． 0 3 5 7 水 MP a 1 b 喷嘴 B 图4 3 种喷嘴各因素变化对吸风量的影响 1 人 口水压对水气射 流通风装置 吸风效果 的影响。吸风量随着水压 的增大而增 加 ， 故水压 越大 ， 通风效果越显著。但是 ， 由于水压 的增加会 产生较大的能量消耗 以及技术上的不足， 压力也 不能无限制地增加。所以， 高压清洗机正常工作 的水压一般会维持在 5～7 MP a 范围内； 2 喉管长度对吸风效果的影 响。选用短喉 管 即喉管长度为 1 8 0 m m 时 ， 水气射流通风装置 的吸风量最大； 而长喉管 即喉管长度为 4 5 6 m m 的吸风效果大于直通管的吸风量。由数值模拟试 验所得的喉管长度与吸风量的曲线可 以看出 ， 当 喉管长度为 1 8 0 m m时所对应 的吸风量大于喉管 长度为 4 5 6 mm时 的吸风量 。所 以， 在 实际应 用 中， 应 当选择短喉管 以达到最佳的通风效果； 3 喷嘴结构对吸风效果 的影响。由试验结 果分析可知， 当选用喷嘴结构为实心螺旋喷嘴的 吸风量最大 ； 空心螺旋喷嘴的吸风量次之 ； 而选用 直流喷嘴的吸风量最小。 参考文献 1 8 三 j 努9 塞 0 3 5 7 水 MP a 1 c 喷嘴 C 马中飞， 沈恒根． 工业通风与除尘[ M] ． 北京 中国 劳动社会保障出版社， 2 0 0 9 5 6 - 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