LNG加氣站低溫截止閥內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

楊建坤

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津 300457)

0 引 言

在流體輸送過(guò)程中，為改變輸送流量或是應(yīng)對(duì)緊急突發(fā)狀況，需調(diào)整或切斷流體在管道內(nèi)的流動(dòng)，以滿足工藝要求并保障設(shè)備安全。因此，常在關(guān)鍵管線上設(shè)置截止閥。

LNG加氣站常用的低溫截止閥如圖 1所示，該截止閥主要由旋轉(zhuǎn)手輪、閥桿、閥瓣以及殼體組成。閥瓣沿閥座中心線上下移動(dòng)，使用時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪，控制閥桿壓力，完成閥瓣的開(kāi)啟與閉合，達(dá)到控制流量的作用；當(dāng)閥瓣完全閉合時(shí)，閥瓣密封面與閥座密封面緊密貼合(密封面呈平面或錐面)，阻止介質(zhì)流通。

圖1 截止閥DN65Fig.1 Globe valve DN65

1 閥門三維模型的建立

在 LNG管道中，由于液化天然氣在管道內(nèi)的溫度較低(-162,℃)，對(duì)閥門材料有較高的要求。目前，截止閥的制造標(biāo)準(zhǔn)以 JB/T 2203—1999《截止閥結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度》為主，但此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不全，導(dǎo)致各廠家生產(chǎn)的截止閥規(guī)格也不同。本管線中采用國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的DJ 41F-40P 低溫長(zhǎng)軸截止閥，其基本參數(shù)如表1所示，其閥門尺寸示意圖如圖2所示，基本尺寸如表2所示。

表1 DJ41F-40P低溫長(zhǎng)軸截止閥基本參數(shù)表Tab.1 Basic parameters of the low temperature long axis globe valve(DJ41F-40P)

由于截止閥流道比較復(fù)雜，有些研究者對(duì)內(nèi)部流道進(jìn)行了相應(yīng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

表2 DJ41F-40P低溫長(zhǎng)軸截止閥基本尺寸表Tab.2 Basic size of the low temperature long axis globe valve(DJ41F-40P)

圖2 DJ41F-40P閥門尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the size of DJ41F-40P globe valve

圖3 截止閥流道簡(jiǎn)化模型圖Fig.3 Simplified model diagram of the globe valve’s ports

為了使對(duì)截止閥內(nèi)部流場(chǎng)的研究切合工程實(shí)際，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對(duì) DJ41F-40P截止閥中間截面流道進(jìn)行了實(shí)際測(cè)繪，根據(jù)測(cè)繪結(jié)果繪制出截止閥流道中間截面各位置的具體參數(shù)，如圖4所示。

圖4 DJ41F-40P流道中間截面具體參數(shù)圖Fig.4 Midsection parameters of the DJ41F-40P globe valve’s flow channel

根據(jù)中間流道的測(cè)繪參數(shù)，使用 SolidWorks軟件繪制截止閥內(nèi)部流道三維模型。

流道建模過(guò)程如下：①將流道分為進(jìn)口流道(從進(jìn)口到閥瓣與閥體密封面處)、閥瓣空間及出口流道以上 3部分，分別建模，確定建?；鶞?zhǔn)面；②在基準(zhǔn)面上繪制流道草圖，采用放樣、旋轉(zhuǎn)等命令，分別完成以上3部分的建模；③對(duì)進(jìn)口流道、閥瓣空間和出口流道的模型采用組合命令，使這 3部分模型成為一體。

根據(jù)以上步驟，建立截止閥流道三維模型，實(shí)體模型如圖5所示，流道中間截面(閥瓣全開(kāi)狀態(tài))如圖6所示。

圖5 截止閥流道實(shí)體模型Fig.5 Physical model of the globe valve’s flow channel

圖6 截止閥流道中間截面圖(閥瓣全開(kāi)狀態(tài))Fig.6 Midsection of the globe valve’s flow channel (with disc in full open position)

2 內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

①邊界條件設(shè)置：速度進(jìn)口2,m/s，自由出流，溫度110,K。②交界面設(shè)置：整體模型是多實(shí)體的組合，設(shè)置交界面為Interface類型，創(chuàng)建交界面匹配。③物質(zhì)：液態(tài)天然氣物質(zhì)屬性。④其他：VOF模型，操作壓力0.4,MPa，重力加速度沿Y軸負(fù)向(即重力向下)。

待流動(dòng)充分發(fā)展，得到截止閥內(nèi)部流場(chǎng)壓力(表壓)如圖7所示，截止閥內(nèi)部中間截面流如圖8所示。

圖7 截止閥內(nèi)部流場(chǎng)壓力(表壓)圖Fig.7 Interior flow field pressure(gauge pressure)of the globe valve

由圖7可以看出，進(jìn)口流道整體壓降在1,000,Pa以內(nèi)，壓降較??；經(jīng)過(guò)閥瓣空間進(jìn)入出口流道后，流體壓降顯著增大，表面的局部區(qū)域壓降達(dá)到 12,000,Pa(約 2.89,m)，這是因?yàn)樵诖肆鲃?dòng)過(guò)程中，流體要在有限且不規(guī)則的空間內(nèi)完成兩次 90,°轉(zhuǎn)向，并與閥瓣和閥體內(nèi)壁面激烈碰撞，導(dǎo)致壓力損失突增。

圖8 截止閥內(nèi)部中間截面流線圖Fig.8 Flow pattern of internal midsection of the globe valve

從圖 8可以看出，流體從入口流道進(jìn)入上部流道過(guò)程中，大部分流體在閥瓣右側(cè)流入出口流道，小部分進(jìn)入閥瓣左側(cè)空間。中間截面流線圖中，閥瓣左側(cè)的閥體空間存在明顯的渦旋，且流線很少通過(guò)此區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)流體的更新較慢，即死水區(qū)(死水區(qū)內(nèi)的流態(tài)特點(diǎn)為存在明顯的漩渦)。此外，流體進(jìn)入出口通道后，由于出口通道的進(jìn)口管徑較小，流進(jìn)出口流道的流體存在噴管現(xiàn)象，即液體以較高的速度射入出口流道內(nèi)，導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)低壓，尤其在流體轉(zhuǎn)向作用明顯的區(qū)域，此現(xiàn)象更為明顯。在出口流道底部的中間區(qū)域，由于液體流量較小、壓力較低，且出口流道出口處壓力變大，因此出現(xiàn)部分回流現(xiàn)象，導(dǎo)致出口流道底部的中間區(qū)域出現(xiàn)漩渦。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以 LNG加氣站用 DN65截止閥為例，利用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模，并使用 Fluent軟件對(duì)其內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到了截止閥內(nèi)部流場(chǎng)壓力場(chǎng)變化及流體在閥門內(nèi)部的流向分布，該分析結(jié)果為 LNG的管路特性分析研究、LNG加氣站潛液泵的選型和LNG加氣站的管路布局優(yōu)化提供了理論依據(jù)?！?/p>

［1］萊昂斯.閥門技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［2］楊源泉.閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［3］韓占忠.流體工程仿真計(jì)算[M].北京：北京理工大學(xué)，2005.