基于Fluent?DPM的呼吸閥和連接儲罐內(nèi)部壓力安全分析

蘇曉煒 郝夢琳 盛選禹

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403011

摘 要 以呼吸閥及連接儲罐系統(tǒng)為研究對象，采用Fluent?DPM計算方法對具體工況條件下呼吸閥吸氣過程進行計算，分析罐內(nèi)流體速度場分布情況和壓力變化規(guī)律，并與Cradle CFD計算結(jié)果進行對比，驗證計算結(jié)果的可靠性。分別對不同管徑規(guī)格的呼吸閥進行計算，結(jié)果表明：呼吸閥吸氣后罐內(nèi)產(chǎn)生兩個較大的漩渦，最大速度出現(xiàn)在偏底部位置，速度由內(nèi)向外不斷增大，導致儲罐更容易發(fā)生吸癟情況;選用

DN 150呼吸閥，罐內(nèi)最低負壓為-2 598.42 Pa，小于罐體所能承受的最大負壓，罐體不會出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

關鍵詞 儲罐 呼吸閥 呼吸量 儲罐負壓 選型 Fluent?DPM

中圖分類號 TQ055.8+1?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0397?05

d

Safety Analysis of the Pressure Within Breathing Valve and Connected

Storage Tank Based on Fluent?DPM Method

SU Xiao?wei1， HAO Meng?lin2， SHENG Xuan?yu3

（1.CGN China Nuclear Power Technology Research Institute Co.， Ltd.; 2.Tianjin Research Institute for Advanced

Equipment， Tsinghua University; 3. Department of Mechanical Engineering， Tsinghua University）

Abstract?? Taking the breathing valve and its connected storage tank system as the object of research， the Fluent?DPM calculation method was used to calculate the breathing valves suction process under specific working conditions， to analyze both fluid velocity field distribution and pressure change rule within the tank as well as to be compared with the Cradle CFD calculation results to verify reliability of the calculated results. The results show that， two large vortices occur in the tank after the breathing valve aspirated. The maximum velocity appears at the bottom position and the velocity increases from inside to outside， which leads to the suction of the tank more easily. When DN 150 breathing valve is selected， the lowest negative pressure in the tank is -2 598.42 Pa， which is less than the maximum negative pressure that the tank can withstand and no instability occurs to the tank at this time.

Key words??? storage tank， breathing valve， breathing quantity， negative pressurewithin tank， selection， Fluent?DPM

（Continued from Page 396）

作者簡介：蘇曉煒（1990-），工程師，從事反應堆研發(fā)設計工作。

通訊作者：盛選禹（1969-），副研究員，從事反應堆設計與仿真工作，shengxy@tsinghua?tj.org。

引用本文：蘇曉煒，郝夢琳，盛選禹.基于Fluent?DPM的呼吸閥和連接儲罐內(nèi)部壓力安全分析[J].化工機械，2024，51（3）：397-401.

常壓、低壓儲罐在使用過程中經(jīng)常會由于儲罐液面的改變或者外界溫度變化等原因，導致儲罐內(nèi)氣體膨脹或收縮，儲罐內(nèi)氣相壓力隨之波動，使得儲罐出現(xiàn)超壓或真空的情況，嚴重時會造成儲罐出現(xiàn)超壓鼓罐或低壓癟罐的情況[1]。為防止儲罐出現(xiàn)超壓或負壓的失穩(wěn)狀態(tài)，通常通過在罐頂安裝呼吸閥的方式來維持儲罐內(nèi)外壓力的平衡。呼吸閥不僅能夠在一定壓力范圍內(nèi)將儲罐與大氣隔絕，而且還能在儲罐內(nèi)、外壓差超過一定范圍時，與大氣相通，通過自發(fā)排氣或吸氣來調(diào)節(jié)儲罐內(nèi)外壓力平衡，從而對儲罐的超壓或超真空狀態(tài)起到調(diào)節(jié)作用。

在工藝設計中，需要根據(jù)實際運行工況確保呼吸閥有足夠的呼吸量以保證儲罐能夠在正常壓力下工作。目前，主要通過參考設備標準以及工程設計經(jīng)驗總結(jié)計算呼吸閥的呼吸量，但是該方法存在估算有限，無法明確呼吸閥和連接罐內(nèi)壓力分布情況，所考慮的影響因素與實際環(huán)境存在誤差等問題。近年來，諸多學者研究了常/低壓儲罐氮封、呼吸閥、緊急泄放閥等壓力泄放設施設定壓力的確定原則以及正常工況下呼吸量的精確計算方法，提出了峰值守恒法等新的呼吸閥呼吸量計算方法[2～9];王飛和呼曉成提出，在選定呼吸閥呼吸量過程中應充分考慮氣候驟變、氣候緩變等氣候條件的影響[10];但上述研究均未對呼吸閥使用后，儲罐內(nèi)的實際壓力分布情況以及儲罐吸癟或膨脹的風險進行分析。郝一霖依據(jù)呼吸閥類產(chǎn)品的相關國家標準搭建了實驗測試平臺，對基于液壓密封的呼吸閥進行了開啟壓力、呼吸量等實驗測試，但未對呼吸閥所連接的儲罐進行安全性分析[10]。

筆者以呼吸閥及其連接儲罐系統(tǒng)為研究對象，采用Fluent?DPM計算方法對具體工況條件下的呼吸閥吸氣過程進行流體計算，分析儲罐內(nèi)部流體速度場分布情況以及壓力的變化規(guī)律，并與Cradle CFD計算結(jié)果進行對比，對計算結(jié)果的可靠性進行驗證。通過對不同管徑的呼吸閥進行計算，總結(jié)呼吸閥管徑對儲罐安全性的影響，為呼吸閥選型提供數(shù)據(jù)支撐。

1 呼吸閥工作原理與選型

1.1 呼吸閥工作原理

呼吸閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由一個正壓閥盤和一個負壓閥盤組成。當儲罐內(nèi)壓力和大氣壓力相等時，正壓閥盤和負壓閥盤均處于關閉狀態(tài)。當儲罐內(nèi)壓力升高到呼出壓力時，正壓閥盤打開，罐內(nèi)氣體通過呼吸閥排出，直至壓力降到呼出壓力以下，此時負壓閥盤由于罐內(nèi)正壓的作用一直處于關閉狀態(tài)。當儲罐內(nèi)壓力小于吸入壓力時，負壓盤閥由于大氣壓的正壓作用而打開，外界氣體通過呼吸閥進入儲罐，直至壓力升高至吸入壓力以上，在此過程中正壓閥盤一直處于關閉狀態(tài)。

1.2 選型方法

呼吸量是呼吸閥選型的一個重要參數(shù)。筆者依據(jù)SH/T 3007—2007《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設計規(guī)范》有關部分進行呼吸閥呼吸量計算。

當罐內(nèi)物料閃點大于45 ℃時：

Q=V+Q（1）

Q=1.07V+Q（2）

當罐內(nèi)物料閃點小于45 ℃時：

Q=V+Q（3）

Q=2.14V+Q（4）

式中 Q——呼吸閥吸氣時的總呼吸量，m3/h;

Q——呼吸閥呼氣時的總呼吸量，m3/h;

Q——呼吸閥吸氣或呼氣時，因環(huán)境變化引起的儲罐呼吸量，m3/h;

V——儲罐最大進料流量，m3/h;

V——儲罐最大出料流量，m3/h。

呼吸閥管徑d的計算式為：

d=18.81Q/u（5）

式中 Q——呼吸閥呼氣和吸氣時的最大呼吸量，m3/h;

u——氣體流速，m/s。

通常，氣體流速u選擇3～5 m/s，計算得到呼吸閥管徑后需向上取整，呼吸閥常用規(guī)格[11]包括

DN 50、DN 80、DN 100、DN 150、DN 200、DN 250、DN 300、DN 350。

2 吸氣過程仿真分析

呼吸閥及其連接儲罐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)工作的第1個階段為熱噴淋，將90 ℃的熱水通過清洗球向儲罐內(nèi)噴灑，對儲罐進行清洗消毒足夠長的時間后停止熱噴淋。第2個階段是冷卻降溫，15 ℃的冷水通過清洗球噴灑儲罐進行降溫，與此同時罐內(nèi)產(chǎn)生負壓，當負壓超過呼吸閥吸入壓力后呼吸閥開始吸氣平衡罐內(nèi)壓力。仿真采用DPM模型，罐內(nèi)濕空氣為連續(xù)相，清洗球注入的水滴為分散在連續(xù)相中的離散相，用歐拉-拉格朗日法求解，模擬噴淋水滴在罐內(nèi)的運動過程和傳熱過程。

系統(tǒng)詳細參數(shù)如下：

罐高 3.6 m

罐直徑 2.85 m

罐體積 23 m3

呼吸閥直徑 100/150/200 mm

清潔球直徑 60.3 mm

儲罐可承受最大真空度 -5 000 Pa

呼吸閥吸氣壓力 -500 Pa

環(huán)境溫度 10 ℃

清洗溫度 90 ℃

冷卻溫度 15 ℃

2.1 離散相傳熱受力分析

液滴熱量傳遞模型為：清洗球注入儲罐的水以液滴形式在儲罐內(nèi)擴散，所以采用DPM離散相模型來描述液滴的運動及換熱過程，計算過程中忽略其表面輻射。數(shù)學模型為：

mc=hA（T-T）-h （6）

式中 Ap——離散相與連續(xù)相的接觸面積，m2;

c——離散相定壓比熱容，J/（kg·K）;

dm/dt——液滴蒸發(fā)率，kg/s;

h——離散相傳熱系數(shù)，W/（m2·K）;

h——相變焓，J/kg;

m——離散相的質(zhì)量，kg;

T——離散相的溫度，K;

T——連續(xù)相的溫度，K。

在連續(xù)相能量方程的計算中，連續(xù)相傳遞到離散相的熱量作為能量源，式（6）中的傳熱系數(shù)h使用Ranz?Marshall關系式計算[12]：

Nu==2.0+0.6Redpr（7）

式中 d——離散粒徑，m;

Nu——努塞爾數(shù);

Pr——連續(xù)相的普朗特數(shù);

Re——雷諾數(shù);

λ——連續(xù)相的熱導率，W/（m·K）。

在液滴換熱過程中，液滴作用力平衡方程如下：

=F（u-u）+（8）

F=·（9）

Re=（10）

式中 C——拽力系數(shù);

F——液滴所受曳力;

g——液滴在y方向上的重力加速度，m/s2;

Re——相對雷諾數(shù);

t——時間，s;

u——離散相速度，m/s;

ρ、ρ——離散相、連續(xù)相密度，kg/m3;

μ、μ——離散相、連續(xù)相動力黏度，Pa·s。

由于液滴的拽力系數(shù)依賴于液滴形狀，所以液滴畸變后的拽力系數(shù)[13]為：

C=C（1+2.632y）（11）

其中，y為液滴的畸變系數(shù)，C為液體為球體時的拽力系數(shù)。在無畸變（y=0）的極限條件下，得到球體的拽力系數(shù);在最大畸變（y=1）下，得到圓盤所對應的拽力系數(shù)。本模擬采用無畸變，故C=1[14]。

2.2 仿真模型

建立仿真模型時，對整體結(jié)構(gòu)進行簡化，并將對流體計算沒有影響以及不關注的部分省去，同時清洗球在計算過程中采用DPM模型替代。對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為多面體，仿真模型如圖2所示。建立組分運輸模型，儲罐初始狀態(tài)為90 ℃濕空氣狀態(tài)（空氣和HO的混合態(tài)），濕空氣設置為理想氣體。建立DPM模型，噴淋顆?？傎|(zhì)量流量為6.94 kg/s，溫度為15 ℃，顆粒直徑為

1 mm，噴淋速度v=-1.72 m/s，v=-1.72 m/s。15 ℃的冷水噴淋入充滿90 ℃濕空氣的儲罐內(nèi)后進行換熱，壓力開始降低，當罐內(nèi)壓力降低到-500 Pa時，呼吸閥開啟，吸入10 ℃的空氣。呼吸閥入口設置為流量入口（mass?flow?inlet），流量為與壓強相關的函數(shù)。儲罐內(nèi)的流動屬于湍流，湍流模型選用Realizable k?ε模型，SIMPLEC算法，開啟能量方程，湍流相關參數(shù)采用二階迎風格式離散化，對儲罐溫度和壓力進行監(jiān)測，選擇標準初始化解法，對整個流場區(qū)域進行初始化，完成后，設定步長并進行計算。

2.3 結(jié)果分析

對仿真結(jié)果進行后處理，分析罐內(nèi)壓力變化規(guī)律，圖3為DN 150呼吸閥的罐內(nèi)壓力變化曲線?？梢钥闯?，儲罐內(nèi)部壓力降低到-500 Pa時呼吸閥開啟，吸入空氣開始平衡罐內(nèi)壓力，當壓力達到最低壓力-2 598.42 Pa后開始回升，直到-500 Pa后呼吸閥關閉。儲罐最低壓力小于儲罐可承受的負壓-5 000 Pa。為驗證該計算結(jié)果的可靠性，將其與相同工況下的Cradle CFD計算結(jié)果進行對比，如圖3所示?？梢钥闯觯現(xiàn)luent?DPM方法的計算結(jié)果與Cradle CFD計算結(jié)果接近，兩者罐內(nèi)壓力的相對誤差在10%左右，可見本文所提Fluent?DPM方法可以有效模擬出實際罐內(nèi)的壓力變化規(guī)律。

圖4為儲罐內(nèi)速度流線圖?？梢钥闯?，空氣從呼吸閥進入儲罐后產(chǎn)生兩個較大的漩渦，最大速度出現(xiàn)在輪廓線的兩側(cè)和底部，并且速度由內(nèi)向外不斷增大，罐內(nèi)壓力分布情況為偏底部壓力分布較低，因此更容易被吸癟。

2.4 呼吸閥選型

分別對DN 100、DN 150、DN 200的呼吸閥進行流體計算分析，觀察連接儲罐內(nèi)部壓力變化，

不同管徑規(guī)格呼吸閥所連接儲罐內(nèi)部壓力變化曲線如圖5所示。由圖5a可知，對于DN 100的呼吸閥，由于呼吸閥呼吸量較小，在呼氣過程中，罐內(nèi)最低壓力遠超過罐體所能承受的最大負壓，因此若選用DN 100呼吸閥，則罐體會出現(xiàn)被吸癟的情況。由圖3可知，對于DN 150的呼吸閥，其罐內(nèi)最低負壓小于罐體所能承受的最大負壓，罐體不會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。由圖5b可知，對于DN 200的呼吸閥，由于其呼吸量較大，呼吸閥打開后很快就將罐內(nèi)壓力平衡為正壓，但是選擇DN 200的呼吸閥也是不合適的，這會導致工程成本提高，資源浪費。

3 結(jié)束語

采用Fluent?DPM方法對連接不同管徑呼吸閥的儲罐內(nèi)壓力場進行仿真分析，并與Cradle CFD所計算的同工況結(jié)果進行對比，驗證了文中的仿真結(jié)果的準確性。通過仿真分析得到了呼吸閥管徑對罐內(nèi)壓力場和罐體安全性的影響。對于儲罐，若選用小管徑的呼吸閥，則容易出現(xiàn)罐體被吸癟的問題，若選用大管徑的呼吸閥，則罐內(nèi)壓力在很短的時間內(nèi)被平衡，資源無法被充分利用?？紤]到選用不同管徑的呼吸閥工程成本不同，在選用呼吸閥過程中需保證儲罐在不失穩(wěn)的前提下盡量選用較小管徑的呼吸閥，因此選擇DN 150呼吸閥。該仿真分析結(jié)果可以作為呼吸閥選型過程中的重要參考依據(jù)。

參 考 文 獻

[1] 張拂曉，邱海燕.常壓、低壓儲罐呼吸閥的設置、選型與計算研究[J].山東化工，2015，44（20）：120-121;129.

[2] 張瀟月.小型立式儲罐呼吸閥和緊急泄壓閥不同計算方法的比較[J].當代化工研究，2021（23）：48-50.

[3] 張春，郁振華，周中強.儲罐通氣能力校核及解決方案研究[J].化學工程與裝備，2016（8）：184-186.

[4] 趙紫峰.原油儲存罐廢氣/空氣雙層多孔介質(zhì)預混燃燒特性的CFD分析[D].上海：東華大學，2022.

[5] 劉淵.油罐呼吸損耗機理及物性場研究[D].西安：西安石油大學，2017.

[6] 顧佳鵬，繆軍翔，竺振宇.對油罐機械呼吸閥結(jié)構(gòu)的改進[J].化工管理，2017（22）：123.

[7] 康勇.基于峰值守恒法的油罐呼吸閥氣通量計算[J].化工進展，2016，35（4）：1017-1021.

[8] 羅立，郝澤，肖武.基于API 2000—2014的地上非制冷儲罐呼吸閥能力計算[J].計算機與應用化學，2018，35（8）：645-654.

[9] 王飛，呼曉成.呼吸閥在油氣儲罐中的選用[J].通用機械，2012（11）：42-44.

[10] 郝一霖.基于液壓密封的呼吸閥性能研究與優(yōu)化[D].撫順：遼寧石油化工大學，2020.

[11] 呂石.常壓儲罐呼吸閥的選用[J].化學工程與裝備，2021（12）：179-180.

[12] 王景剛，余軍，王建學，等.礦井回風換熱器數(shù)值模擬[J].制冷與空調(diào)，2013，13（3）：37-40.

[13] POLING B E，PRAUSNITZ J M，OCONNELL J P.The Properties of Gases and Liquids[M].5th ed.New York：McGraw?Hill，2001.

[14] 陳世強，李瑾，張藝才，等.排風流與噴淋液滴的流動及傳熱特性研究[J].安全與環(huán)境學報，2023，23（6）：2042-2050.

（收稿日期：2023-05-19，修回日期：2024-05-16）