化工裝置工藝管路改造的計(jì)算機(jī)模擬分析

岳廣濤，曹建，尚宇(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074)

1 概述

某化工生產(chǎn)裝置配備有一個(gè)大容積氣體儲(chǔ)罐作為原料氣罐，工作介質(zhì)為高純氫氣[1]，罐內(nèi)氫氣壓力范圍為1.1 MPa至1.2 MPa(表壓)，工作溫度為常溫。原有工藝管路為一根DN40的不銹鋼管，將罐內(nèi)高純氫氣連續(xù)輸送至該化工生產(chǎn)裝置的主反應(yīng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 某化工生產(chǎn)裝置工藝管路示意圖

后期由于系統(tǒng)改造，在主反應(yīng)系統(tǒng)之外又新增了一套輔助反應(yīng)系統(tǒng)，輔助反應(yīng)系統(tǒng)的氫氣供應(yīng)仍借助于原有的DN40工藝管路。具體改造方案如下，在原有的DN40工藝管路上，選取合適位置加裝一個(gè)三通，通過(guò)三通支路使高純氫氣分流，同時(shí)輸送至主反應(yīng)系統(tǒng)和輔助反應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)工藝規(guī)程要求，主反應(yīng)系統(tǒng)中的原料氫氣流量有最低限制條件，因此，在加裝三通及進(jìn)行支路分流時(shí)，需要充分考慮到氫氣分流對(duì)主管路流量的影響，從而設(shè)計(jì)合適的管路改造方案[2-3]。

本文首先利用了比利時(shí)LMS公司的AMESim軟件進(jìn)行了該裝置管路中氫氣流量的仿真計(jì)算[4]，隨后利用美國(guó)ANSYS公司的Fluent軟件進(jìn)行了模擬驗(yàn)證[5]，上述工作優(yōu)化了管路改造方案，降低了施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)成本，具有一定的參考價(jià)值。

2 AMESim仿真計(jì)算

AMESim軟件全稱為Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems，最早由1995年的法國(guó)Imagine公司推出，2007年被比利時(shí)LMS公司收購(gòu)。作為一種服務(wù)于多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，AMESim軟件可以建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，例如研究燃油流動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)、氣體冷卻等元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。本研究選擇了AMESim軟件的7.0版開(kāi)展后續(xù)研究工作。

圖2 AMESim軟件版本說(shuō)明

首先利用AMESim軟件自帶的氣動(dòng)模型(Pneumatic Model)搭建與圖1中工藝管路示意圖相匹配的模型圖，如圖3所示。圖3中的Gas Data作為氣體定義模塊，定義了一種作為全局變量的氣體，本文中為氫氣。

圖3 AMESim中工藝管路改造的模型圖

圖3中有3個(gè)容性元件，分別代表了氣體儲(chǔ)罐、主反應(yīng)系統(tǒng)和輔助反應(yīng)系統(tǒng)，分別設(shè)置了不同的壓力和溫度參數(shù)，確保管道內(nèi)的氣體因壓力差而產(chǎn)生流動(dòng)，其中主反應(yīng)系統(tǒng)與輔助反應(yīng)系統(tǒng)之間的壓差為0，氣體儲(chǔ)罐與主反應(yīng)系統(tǒng)之間的壓差設(shè)置為0.005 MPa。圖3中還有3個(gè)阻性元件，用來(lái)模擬管路上截止閥的開(kāi)閉狀態(tài)。圖3中的主管路管徑設(shè)置為40 mm，而三通處的支路管徑作為變量，分別取值為2 mm、4 mm、6 mm、……，直至40 mm，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，隨著支路管徑的增加，主管路的氫氣流量會(huì)受到影響，為了對(duì)主管路的氫氣流量變化情況進(jìn)行量化評(píng)估，記錄了AMESim軟件仿真過(guò)程中主管路氫氣流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)最大值，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著三通支路管徑的增加，主管路中的氫氣流量和流速均單調(diào)下降。同時(shí)，根據(jù)工藝裝置的安全要求，管路內(nèi)氫氣流速的安全范圍為低于15 m/s[6]。如果選擇在主管路上安裝等徑三通，并且支路管徑也選擇為DN40的規(guī)格，最終氣體儲(chǔ)罐總排氣量可達(dá)到約844 Nm3/h，雖然比原工藝管路的輸氣量提高了約21%，但是主管路自身的氫氣流量下降了約40%，不符合主反應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行限制條件。綜上，此次改造擬選用支路管徑為DN10的異徑三通，在保證支路中有一定氫氣流量的同時(shí)，使主管路自身的流量波動(dòng)小于3%，最大限度地降低管路改造對(duì)主反應(yīng)系統(tǒng)的影響。

3 Fluent模擬驗(yàn)證

為了確保此次改造方案一次成功，不留二次施工的隱患，本文還利用Fluent軟件對(duì)改造三通處的氫氣流動(dòng)情況進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。首先利用面向CFD分析的前處理器GAMBIT軟件進(jìn)行三通的簡(jiǎn)化幾何建模和網(wǎng)格生成，如圖4所示，其中主管路通徑為40 mm，支路通徑為10 mm，建立了非等距的三角網(wǎng)格，尤其加密了支路處的網(wǎng)格，從而更加關(guān)注支路處的氫氣流動(dòng)情況。

表1 三通支路與主管路中的氫氣流動(dòng)情況

在求解過(guò)程中，選擇了Fluent軟件中的2維標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型[7]，將流體類型設(shè)定為氫氣，隨后設(shè)置了網(wǎng)格圖的入流方向、出流方向和邊界條件等參數(shù)。求解過(guò)程如圖5所示，經(jīng)過(guò)約430次迭代，殘差收斂，得到了三通內(nèi)部氫氣流動(dòng)的速度等值線圖，如圖6所示。

圖4 GAMBIT建立的三通簡(jiǎn)化網(wǎng)格圖

圖5 Fluent軟件的迭代求解過(guò)程

圖6 三通內(nèi)部氫氣流動(dòng)的速度等值線

由圖6可知，雖然在主管路上增加了三通，但是由于主管路內(nèi)氫氣整體流速較高，超過(guò)了12 m/s，因此，在三通支路之后的主管路內(nèi)氫氣流量波動(dòng)不大，不會(huì)對(duì)主反應(yīng)系統(tǒng)造成不良影響，三通支路內(nèi)氫氣流動(dòng)雖然流場(chǎng)不均勻，但是流速較低，流量不大，該改造方案安全可行。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，該化工生產(chǎn)裝置的工藝管路改造工作已經(jīng)按照計(jì)劃方案完成，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，主管路改造前后的高純氫氣流量波動(dòng)情況小于5%，三通支路的氫氣流動(dòng)穩(wěn)定，且流量大于50 Nm3/h，完全達(dá)到了改造工作的預(yù)期效果。

在改造工作實(shí)施之前，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件的模擬分析，能夠充分論證改造工作的可行性，提高工作效率，降低改造工作中的風(fēng)險(xiǎn)成本。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，本研究具有較好的應(yīng)用和推廣前景。