先導(dǎo)式泄壓閥泄放過程流速模擬分析

葉 昆 杜廷召 公茂柱 張 佳

（中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司）

管道系統(tǒng)中，泵站突然停電、各站場進(jìn)出站閥門誤操作關(guān)閉、線路監(jiān)控閥室截?cái)嚅y事故關(guān)斷時(shí)均會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生水擊［1］。目前，管道水擊保護(hù)采用調(diào)速電機(jī)調(diào)速、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)、泄壓保護(hù)及水擊超前保護(hù)等措施，其中泄壓保護(hù)作為管道的最后一道保護(hù)措施，當(dāng)管道超壓后將部分油品泄放至常壓罐中， 以減輕瞬變壓力對管道造成的危害，從而保護(hù)管道安全。 泄放過程流速變化是考驗(yàn)水擊泄壓閥是否有效發(fā)揮水擊控制保護(hù)作用，能否保護(hù)下游管道和設(shè)備的重要指標(biāo)。 為此，筆者將重點(diǎn)說明先導(dǎo)式泄壓閥選型計(jì)算，并對泄放過程流速進(jìn)行模擬分析，以期為先導(dǎo)式泄壓閥的實(shí)驗(yàn)研究及項(xiàng)目工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論參考。

1 先導(dǎo)式泄壓閥

1.1 特點(diǎn)

先導(dǎo)式泄壓閥在成品油管道應(yīng)用較廣，該閥是依靠閥體內(nèi)部的導(dǎo)閥來開啟的， 結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，不需要額外的輔助設(shè)施。 先導(dǎo)式泄壓閥的缺點(diǎn)是不適用于高粘油品，由于先導(dǎo)式泄放閥的導(dǎo)管較細(xì)，高粘油品易在導(dǎo)管內(nèi)粘結(jié)，影響泄放效果，故先導(dǎo)式泄壓閥通常應(yīng)用于低粘度油品［2］。

1.2 工作原理

先導(dǎo)式泄壓閥主要由主閥、先導(dǎo)閥、引壓管及過濾器等組成（圖1），其中主閥由閥體、閥座、滑塞及彈簧等構(gòu)成。

圖1 先導(dǎo)式泄壓閥結(jié)構(gòu)示意圖

先導(dǎo)式泄壓閥利用管道自身輸送的介質(zhì)通過導(dǎo)閥來控制泄壓閥的啟閉，不需要外置動(dòng)力源， 利用導(dǎo)閥彈簧設(shè)定泄壓閥泄放開啟壓力，壓力設(shè)定精度和壓力設(shè)定范圍受彈簧精度影響。

當(dāng)輸油管道正常工作時(shí)， 在內(nèi)腔設(shè)定壓力作用下滑塞與主閥座緊密貼合， 使泄壓閥處于正常關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)輸油管道發(fā)生水擊，達(dá)到泄壓閥設(shè)定值時(shí)， 在閥門前后壓差的作用下滑塞打開，通過滑塞外腔開始泄放油品并報(bào)警，管線壓力下降，當(dāng)管線壓力恢復(fù)至正常工作壓力時(shí)，滑塞與閥座緊密貼合，恢復(fù)閥門關(guān)閉狀態(tài)，停止泄放。

2 先導(dǎo)式泄壓閥選型分析

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算公式

某成品油管道線路總長60 km， 全線設(shè)置首站、末站兩座站場，輸送油品介質(zhì)為汽油和柴油。在管道首站出站前設(shè)置先導(dǎo)式泄壓閥，油品泄放至泄壓罐內(nèi)，泄壓罐容積為500 m3。具體的工藝參數(shù)如下：

介質(zhì)密度 0.85 g/cm3

設(shè)計(jì)壓力 15 MPa

最大流量 750 m3/h

泄壓閥開啟壓力設(shè)定值 10.5 MPa

背壓 0.2 MPa

閥門流量Q的計(jì)算式為［3，4］：

式中 F——流量系數(shù)；

K——粘度修正系數(shù)，取值范圍0.7～0.9（粘度大則取小值）；p1——背壓，kPa；

ps——閥門開啟壓力設(shè)定值，kPa；ρ——密度，g/cm3。

流量系數(shù)F與泄壓閥的構(gòu)造有關(guān)， 一般情況下取超設(shè)定壓力10%時(shí)的流量系數(shù)。表1為某廠家泄壓閥的流量系數(shù)。

表1 某廠家泄壓閥的流量系數(shù)

因先導(dǎo)式泄壓閥需考慮防汽蝕措施，故泄壓閥入口流速不宜超過17.5 m/s［5］。 根據(jù)下式，進(jìn)一步校核泄壓閥流速V：

式中 S——閥門流道面積，m2。

不同公稱直徑泄壓閥的最小泄放面積見表2。

表2 不同公稱直徑泄壓閥的最小泄放面積

2.2 先導(dǎo)式泄壓閥公稱直徑計(jì)算

根據(jù)式（1）輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出流量系數(shù)F計(jì)，根據(jù)表1，F(xiàn)計(jì)與超過設(shè)定壓力10%時(shí)的流量系數(shù)F進(jìn)行比較，選取F比F計(jì)大時(shí)對應(yīng)的泄壓閥公稱直徑作為初選公稱直徑。 根據(jù)式（2）和表2，校核先導(dǎo)式泄壓閥達(dá)到泄放流量時(shí)的最大流速（不超過17.5 m/s），此時(shí)先導(dǎo)式泄壓閥選型滿足工程要求。

2.3 先導(dǎo)式泄壓閥選型結(jié)果

通過表3的計(jì)算結(jié)果可知， 該管道工程先導(dǎo)式泄壓閥公稱直徑選用150 mm，滿足工程要求。

表3 選型結(jié)果

3 先導(dǎo)式泄壓閥泄放過程模擬分析

當(dāng)流體在密閉長輸管道中發(fā)生水擊時(shí)，液體在減速的情況下迅速將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能。 先導(dǎo)式泄壓閥水擊保護(hù)控制過程是系統(tǒng)壓力降至其開啟值的壓力平衡過程。 根據(jù)《液體石油產(chǎn)品靜電安全規(guī)程》“輕質(zhì)油品油罐入口管道流速最大流速不應(yīng)大于7 m/s， 若采用其他有效防靜電措施（如防靜電添加劑、靜電消除器等）可不受上述限制”。 在先導(dǎo)式泄壓閥正常泄放時(shí)，若泄放管線流速過高，則易產(chǎn)生積聚靜電等導(dǎo)致火災(zāi)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，對下游管道和設(shè)備造成損壞。

由于泄壓過程流體的復(fù)雜性和多樣性，難以通過實(shí)驗(yàn)分析給出較為精確的結(jié)論，而且難以獲得泄壓閥內(nèi)部構(gòu)造特征。故筆者采用Fluent軟件［6］對泄放過程下游管線兩種工況進(jìn)行模擬分析，假設(shè)： 先導(dǎo)式泄壓閥下游管線至泄壓罐為空管；先導(dǎo)式泄壓閥下游管線至泄壓罐管線充滿油品，泄壓罐靜壓為0.2 MPa。

3.1 先導(dǎo)式泄壓閥模型建立及邊界條件

3.1.1 模型建立

筆者對某廠家生產(chǎn)的DN150 mm先導(dǎo)式泄壓閥進(jìn)行研究分析。 閥門的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：入口直徑150 mm，出口直徑150 mm，閥芯行程40 mm，閥芯直徑100 mm，流道長度450 mm，閥芯殼體直徑230 mm，閥體內(nèi)腔最大尺寸252 mm。

采用SIMPLE算法，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型雙方程，采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散。 首先定義流體域類型為Fluid Domain，分析類型為瞬態(tài)，選取計(jì)算時(shí)間0.3 s，時(shí)間步長0.001 s，最大迭代數(shù)為3 000；其次定義閥芯類型為Immersed solid，選擇閥芯運(yùn)動(dòng)方式為Specifed Displacement［7～9］。

3.1.2 邊界條件設(shè)置

流體介質(zhì)為20 ℃的柴油， 按照最大泄放量750 m3/h進(jìn)行模擬，通過表3可知，先導(dǎo)式泄壓閥流速為11.8 m/s。 假定先導(dǎo)式泄壓閥出口至泄壓罐之間管線長度為10 m，管徑為273.1 mm。

3.1.3 網(wǎng)格劃分

運(yùn)用ICEM CFD對先導(dǎo)式泄壓閥流體域及出口管道運(yùn)動(dòng)域模型劃分網(wǎng)格，先導(dǎo)式泄壓閥流體域及出口管道運(yùn)動(dòng)域網(wǎng)格劃分如圖2所示。 將流道網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent，進(jìn)行流態(tài)仿真。

圖2 先導(dǎo)式泄壓閥流體域及出口管道運(yùn)動(dòng)域網(wǎng)格劃分

3.2 計(jì)算過程模擬分析

3.2.1 先導(dǎo)式泄壓閥下游管線至泄壓罐為空管

先導(dǎo)式泄壓閥在最大泄放量的運(yùn)行條件下，通過模擬計(jì)算可知：當(dāng)達(dá)到先導(dǎo)式泄壓閥設(shè)定值時(shí)，先導(dǎo)式泄壓閥開啟，閥芯的流速快速升高，流速達(dá)到最大值13.0 m/s（圖3），此時(shí)隨著閥門開度的增加，閥門內(nèi)部速度場變化不大，在閥門出口的位置，流速為11.4 m/s（圖4），流速減?。划?dāng)?shù)陀谙葘?dǎo)式泄壓閥設(shè)定值時(shí)， 先導(dǎo)式泄壓閥關(guān)閉；隨著泄放壓力的變化和管線沿程摩阻損失，先導(dǎo)式泄壓閥下游管線0.1 m處流速為9.2 m/s （圖5），在先導(dǎo)式泄壓閥下游管線1.0 m處流速為3.2 m/s（圖6），先導(dǎo)式泄壓閥下游管線在進(jìn)泄壓罐前流速為3.2 m/s并趨于穩(wěn)定。

圖3 先導(dǎo)式泄壓閥閥芯流速

圖4 先導(dǎo)式泄壓閥出口流速

圖5 先導(dǎo)式泄壓閥下游管線0.1 m處流速

圖6 先導(dǎo)式泄壓閥下游管線1.0 m處流速

3.2.2 先導(dǎo)式泄壓閥下游管線至泄壓罐管線充滿油品

先導(dǎo)式泄壓閥在最大泄放量的運(yùn)行條件下，通過模擬計(jì)算可知：當(dāng)達(dá)到先導(dǎo)式泄壓閥設(shè)定值時(shí)，先導(dǎo)式泄壓閥開啟，閥芯的流速快速升高，流速達(dá)到最大值13.2 m/s（圖7），此時(shí)隨著閥門開度的增加，閥門內(nèi)部速度場變化不大，在閥門出口位置流速為11.1 m/s（圖8），流速減??；當(dāng)?shù)陀谙葘?dǎo)式泄壓閥設(shè)定值時(shí)，先導(dǎo)式泄壓閥關(guān)閉；隨著泄放壓力的變化和管線沿程摩阻損失，先導(dǎo)式泄壓閥下游管線1.0 m處流速為6.5 m/s（圖9）；先導(dǎo)式泄壓閥下游管線3.2 m處流速為4.8 m/s（圖10）；先導(dǎo)式泄壓閥下游管線在進(jìn)泄壓罐前流速為3.2 m/s并趨于穩(wěn)定。

圖7 先導(dǎo)式泄壓閥閥芯流速

圖8 先導(dǎo)式泄壓閥出口流速

圖9 先導(dǎo)式泄壓閥下游管線1.0 m處流速

圖10 先導(dǎo)式泄壓閥下游管線3.2 m處流速

通過Fluent軟件模擬上述兩種工況可知，隨著泄放壓力的變化和管線沿程摩阻損失，先導(dǎo)式泄壓閥出口管道速度總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 先導(dǎo)式泄壓閥下游管線流速逐漸降低，流速在進(jìn)泄壓罐前已降至3.2 m/s（小于7 m/s），不會(huì)因流速過高而對泄壓罐造成影響。 同時(shí)計(jì)算結(jié)果表明， 先導(dǎo)式泄壓閥閥芯部分有明顯的節(jié)流效應(yīng)，能夠保護(hù)管道和設(shè)備，該先導(dǎo)式泄壓閥在水擊發(fā)生時(shí)能夠有效發(fā)揮水擊控制保護(hù)作用［10］。

4 結(jié)論及建議

4.1 通過Fluent軟件模擬，先導(dǎo)式泄壓閥可以使油品迅速泄放至泄壓罐，不會(huì)因泄放流速過高而對泄壓罐造成影響，驗(yàn)證了先導(dǎo)式泄壓閥的結(jié)構(gòu)性能滿足工程要求。

4.2 先導(dǎo)式泄壓閥至泄壓罐之間應(yīng)始終保持管路暢通，先導(dǎo)式泄壓閥至泄壓罐之間的閥門均為常開閥門，并進(jìn)行鎖定。 若存在混油罐兼作泄壓罐時(shí)，混油罐前需增加止回閥，防止油品互竄，并且混油罐的液位需保持在較低液位，防止先導(dǎo)式泄壓閥開啟時(shí)瞬間流量大，引發(fā)混油罐冒頂。

4.3 先導(dǎo)式泄壓閥作為輸油管道密閉輸送工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，合理確定先導(dǎo)式泄壓閥的開啟壓力值和泄壓罐容積至關(guān)重要。

4.4 運(yùn)行人員應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，并加強(qiáng)日常巡檢，需要密切關(guān)注先導(dǎo)式泄壓閥前后壓力變化等運(yùn)行參數(shù)。 定期通過人工打壓檢查先導(dǎo)式泄壓閥是否正常，定期通過閥門和過濾器排污閥排放閥體和油管介質(zhì)，防止堵塞、結(jié)冰。