安全閥快速切換裝置及其流阻特性研究

賀飛鴻，陳翔宇

(1.中國(guó)石化達(dá)州天然氣凈化有限公司天然氣凈化廠，四川達(dá)州 635000 2.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176)

1 研究背景

安全閥作為重要的安全保障設(shè)備之一，行業(yè)對(duì)其使用與校驗(yàn)有著明確、嚴(yán)格的規(guī)定。如何解決安全閥的定期校驗(yàn)并保證生產(chǎn)設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)利益最大化，是亟需解決的問(wèn)題。

為滿足生產(chǎn)連續(xù)在線運(yùn)行，一般采用兩臺(tái)安全閥同時(shí)在線運(yùn)行的方式，分別在兩臺(tái)安全閥進(jìn)口處安裝截止閥門，使其處于一備一用的狀態(tài)，截止閥也相應(yīng)地處于一關(guān)一開的狀態(tài)。此方式不但增加了管線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)也增加了人為誤操作的可能，需增設(shè)相應(yīng)的互鎖功能，從而帶來(lái)使用的不便與成本的增加?？刹捎迷趦膳_(tái)安全閥的進(jìn)口處安裝三通切換閥的型式，通過(guò)三通切換閥的往復(fù)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)安全閥的在線備份。如此一來(lái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，不存在誤操作的可能，可靠性高，在實(shí)際中得到越來(lái)越廣泛的應(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TSG ZF001-2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、美標(biāo)API RP 520《煉油廠泄壓裝置的設(shè)置、選擇和安裝》及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12241-2005《安全閥一般要求》中對(duì)于安全閥進(jìn)口與截止閥的連接提出了明確要求，當(dāng)在安全閥的進(jìn)口處連接截止閥門時(shí)，截止閥門的設(shè)計(jì)應(yīng)使其最小流通面積等于或大于為管線所設(shè)計(jì)的安全閥的進(jìn)口面積，以使安全閥進(jìn)口不可恢復(fù)的壓力損失不超過(guò)整定壓力的3%，使兩臺(tái)安全閥均具備足夠的備份泄放能力。目前有些制造廠的切換閥內(nèi)部流道設(shè)計(jì)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(wú)法滿足具有足夠的備份泄放能力要求。

由此可以得出，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(qiáng))，計(jì)算安全閥在線工作時(shí)快速切換裝置的壓力損失，是確保三通切換閥壓力損失滿足用戶管線設(shè)計(jì)、安全閥在線正常運(yùn)行的先決條件。

2 安全閥快速切換裝置流場(chǎng)計(jì)算

為了研究安全閥快速切換裝置內(nèi)部流動(dòng)狀況，利用Fluent軟件對(duì)閥門內(nèi)部三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。

2.1 幾何模型及網(wǎng)格

圖1為切換閥的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)。由于截止閥結(jié)構(gòu)分為A、B兩個(gè)出口，在切換時(shí)左右流道有一定差異，因此對(duì)A、B出口分開建模研究各出口的流通能力?；陂y門的對(duì)稱性，同時(shí)為了減小計(jì)算量，選擇幾何模型的一半進(jìn)行計(jì)算，圖2、圖3為流場(chǎng)仿真幾何模型。

圖1 切換閥內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)

圖2 A出口幾何結(jié)構(gòu)

圖3 B出口幾何結(jié)構(gòu)

對(duì)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(jìn)行加密，以保證計(jì)算精度。幾何結(jié)構(gòu)的計(jì)算單元數(shù)量都在240 000以上。網(wǎng)格情況見圖4、圖5。

圖4 A出口網(wǎng)格

圖5 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(dòng)是不可壓縮的三維流動(dòng)，對(duì)湍流的模擬采用Realizablek-e湍流模型。相應(yīng)的控制方程如下：

狀態(tài)方程：p=ρRT；i=CvT

式中：

ρ——密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

U——速度，m/s；

ux——速度U的分量；

p——壓力，N；

μ——?jiǎng)恿φ承韵禂?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(duì)溫度，K；

Φ——耗散函數(shù)；

S——源項(xiàng)；

R——?dú)怏w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(jì)算中介質(zhì)選擇為水，具體屬性為:密度：998 kg/m3；黏度：1.853e-05 Pa·s；飽和蒸氣壓：3 610 Pa。在邊界條件設(shè)置中，進(jìn)口及出口截面分別設(shè)置成壓力進(jìn)口和壓力出口，在計(jì)算域的邊界上，壓力滿足Neumann條件，壓力數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值協(xié)調(diào)一致。湍流壁面上使用無(wú)滑移條件。在近壁區(qū)，由于雷諾數(shù)較小，為避免流動(dòng)產(chǎn)生劇烈的速度梯度，在計(jì)算時(shí)采用了壁面函數(shù)法的修正方法。

2.4 流場(chǎng)計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)仿真模擬計(jì)算，可以得到切換閥內(nèi)部的壓力分布情況。圖6、圖7為對(duì)稱面上的壓力分布云圖。

通過(guò)計(jì)算可以得到仿真模擬中的流量系數(shù)Cv，如表1所示。

3 安全閥快速切換裝置流通能力測(cè)試

安全閥快速切換裝置流通能力測(cè)試依據(jù)JB/T 5296《通用閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗(yàn)方法》，其中對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)程序、結(jié)果與計(jì)算有明確要求。圖8為試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置。

圖6 A出口對(duì)稱面上壓力分布云圖

圖7 B出口對(duì)稱面上壓力分布云圖

表1 不同通徑出口的流量系數(shù)計(jì)算

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)試包含38.1 mm(1.5英寸)、50.8 mm(2英寸)150lb安全閥快速切換裝置，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，流場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差較小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與仿真計(jì)算趨勢(shì)基本吻合。

表2 流場(chǎng)計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過(guò)CFD(計(jì)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(chǎng)模型與計(jì)算方法，通過(guò)仿真計(jì)算得到表征閥門流通能力的參數(shù)，并通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，確定了數(shù)值計(jì)算中建模、初始條件及邊界條件設(shè)計(jì)選取的合理性與正確性，展示了模擬計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法在閥門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

安全閥快速切換裝置流阻特性研究明確了切換閥壓力損失分析計(jì)算方法，提供了一套可操作、可借鑒分析的流場(chǎng)仿真案例，為切換閥相關(guān)流阻研究積累了寶貴的工程與學(xué)術(shù)經(jīng)驗(yàn)。