安全閥快速切換裝置及其流阻特性研究*

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(1.中國石油化工股份有限公司中原油田普光分公司，四川 達州 635000;2.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司,北京 100176)

1 安全閥快速切換裝置介紹

安全閥作為一種自動閥門，是各類鍋爐、壓力容器和壓力管道等設(shè)備不可缺少的安全附件，起到超壓保護的作用，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電站等國民經(jīng)濟各個部門。安全閥作為安全保障重要設(shè)備之一，行業(yè)對其使用與校驗有著明確、嚴格的規(guī)定。如何解決安全閥的定期校驗與生產(chǎn)設(shè)備的不間斷運行，實現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化，是亟待解決的問題。

為滿足生產(chǎn)連續(xù)在線運行，一般采用兩臺安全閥同時在線運行的方式，分別在兩臺安全閥進口處安裝截止閥門，使其處于一備一用的狀態(tài)，截止閥也處于一關(guān)一開的狀態(tài)。此方式不但增加了管線設(shè)計的復(fù)雜性，同時也增加了人為失誤操作的可能，需增設(shè)相應(yīng)的互鎖功能，從而帶來使用的不便與成本的增加?？刹捎迷趦膳_安全閥的進口處安裝三通切換閥的形式，通過三通切換閥的往復(fù)切換來實現(xiàn)安全閥的在線備份，其以一臺三通切換閥代替兩臺截止閥，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，不存在失誤操作的可能，可靠性高，在實踐中得到廣泛應(yīng)用。

由于安全閥前端管路或截止、三通切換類閥門的流阻將直接降低安全閥的排放能力,為此《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、API RP 520-Ⅱ—2003《煉油廠壓力泄放裝置尺寸確定、選擇和安裝》 及 GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》中對于安全閥的進口在與截止閥連接時均提出了明確要求，當在安全閥的進口處連接截止閥門時，截止閥門的設(shè)計應(yīng)使其最小流通面積等于或大于為那一管線所設(shè)計的安全閥的進口面積，以使安全閥進口不可恢復(fù)的壓力損失不超過整定壓力的3%，使兩臺安全閥均具備足夠的備份泄放能力，見圖1。目前有些制造廠的切換閥內(nèi)部流道設(shè)計不合理，有的甚至直接以直管或者彎頭焊接而成，流阻損失較大，無法滿足具有足夠的備份泄放能力要求。

圖1 安全閥前截止類閥門

分析研究安全閥快速切換裝置的流通能力與流阻系數(shù)(兩者都是表征閥門流通能力的固有參數(shù)，流量系數(shù)越大，流阻越小其流通能力越強)，計算安全閥在線工作時快速切換裝置的壓力損失，從而確保三通切換閥壓力損失滿足用戶管線設(shè)計、安全閥在線正常運行。

該文通過對安全閥快速切換裝置進行流通能力、流阻系數(shù)的仿真與試驗論證，得到適合于切換閥流阻計算的仿真模型與試驗閥門的流通能力、流阻系數(shù)，并采用流通能力與壓力降相關(guān)的推導(dǎo)公式，得到閥門在具體工況下的壓力降值。

2 安全閥快速切換裝置流場計算

為了進一步研究安全閥快速切換裝置內(nèi)部流動，下面利用Fluent軟件對閥門內(nèi)部三維流場進行了數(shù)值仿真計算。

2.1 幾何模型及網(wǎng)格

切換閥內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 切換閥內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)

由于截止閥結(jié)構(gòu)分為A和B兩個出口，在切換時左右流道有一定差異，因此對A和B出口分開建模研究各出口的流通能力。基于閥門的對稱性，同時為了減小計算量，選擇幾何模型的一半進行計算。流場仿真幾何模型見圖3和圖4。

圖3 A出口幾何結(jié)構(gòu)

對以上的幾何結(jié)構(gòu)用Gambit網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格，網(wǎng)格采用四面體結(jié)構(gòu)，并在關(guān)鍵部位進行加密，以保證計算精度。幾何結(jié)構(gòu)的計算單元數(shù)量都在24萬以上。網(wǎng)格情況見圖5和圖6。

圖4 B出口幾何結(jié)構(gòu)

圖5 A出口網(wǎng)格

圖6 B出口網(wǎng)格

2.2 物理方程及模型選擇

介質(zhì)在切換閥中的流動是不可壓縮的三維流動，對湍流的模擬采用Realizable k-e湍流模型。相應(yīng)的連續(xù)性方程如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

-pdivU+div(λgradT)+Φ+S

狀態(tài)方程：

p=ρRT；i=CvT

式中：ρ——密度，kg/m3;

t——時間，s;

U——速度，m/s;

ux——速度U的分量;

p——壓力，N;

μ——動力粘性系數(shù)，Pa·s;

fx——單位質(zhì)量力在某方向的函數(shù);

i——內(nèi)能，J;

λ——傳熱系數(shù)，W/(m2·K);

T——絕對溫度，K；

Φ——耗散函數(shù);

S——源項;

R——氣體常數(shù)，J/(kg·K);

Cv——定容比熱，J/(kg·K)。

2.3 介質(zhì)屬性及邊界條件

仿真計算中介質(zhì)為水，密度為998 kg/m3;黏度為1.853×10-2Pa·s;飽和蒸汽壓為3 610 Pa。

在邊界條件設(shè)置中，進口及出口截面分別設(shè)置成壓力進口和壓力出口，在計算域的邊界上，壓力滿足Neumann條件，壓力數(shù)值與試驗數(shù)值協(xié)調(diào)一致。湍流壁面上使用無滑移條件。在近壁區(qū)，由于雷諾數(shù)較小，為避免流動產(chǎn)生劇烈的速度梯度，在計算時采用了壁面函數(shù)法的修正方法。

2.4 流場計算與試驗結(jié)果分析

通過仿真模擬計算，可以得到切換閥內(nèi)部的壓力分布情況。對稱面上的壓力分布云圖見圖7和圖8。

通過計算可以得到仿真模擬中的流量系數(shù)Cv，見表1。

表1 流場計算結(jié)果

注：1英寸=25.4 mm

圖7 A出口對稱面上壓力分布

圖8 B出口對稱面上壓力分布

3 安全閥快速切換裝置流通能力測試

安全閥快速切換裝置流通能力測試依據(jù)JB/T 5296—1991《通用閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗方法》，其中對試驗系統(tǒng)與試驗程序、結(jié)果與計算有明確要求。試驗系統(tǒng)設(shè)置與試驗現(xiàn)場見圖9、圖10和圖11。

圖9 試驗系統(tǒng)

圖10 A出口Cv流通能力試驗

圖11 B出口Cv流通能力試驗

試驗測試包含1.5英寸、2.0英寸150 lb安全閥快速切換裝置，其試驗結(jié)果見圖12、圖13及表2。

圖12 1.5英寸切換閥試驗數(shù)據(jù)

圖13 2.0英寸切換閥試驗數(shù)據(jù)

通 徑 1.5英寸2.0英寸切換閥出口ABAB流量系數(shù)7168109102

與流場計算結(jié)果進行對比，結(jié)果見表3。

表3 流場計算與試驗結(jié)果對比

從表3可以看出，流場模擬計算結(jié)果較為準確，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果偏差較小，試驗結(jié)果與仿真計算趨勢基本吻合。

4 結(jié) 論

通過CFD(計算流體力學(xué))軟件數(shù)值模擬、建立了與切換閥相匹配的流場模型與計算方法，通過仿真計算得到表征閥門流通能力的參數(shù)，并通過對計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較，確定了數(shù)值計算中建模、初始條件及邊界條件設(shè)計選取的合理性與正確性，很好地展示了模擬計算與試驗研究相結(jié)合的方法在閥門設(shè)計中的應(yīng)用。

安全閥快速切換裝置流阻特性研究完善了相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域，明確了切換閥壓力損失分析計算方法，提供了一套可操作、可借鑒分析的流場仿真案例，為切換閥相關(guān)流阻研究積累了寶貴經(jīng)驗。