水力除焦三通閥流道結(jié)構(gòu)的CFD分析

　　水力除焦三通閥是某煉油廠延遲焦化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備。依據(jù)合肥通用機(jī)械研究院設(shè)計(jì)的水力除焦三通閥結(jié)構(gòu)，建立其在旁路循環(huán)工況和水力除焦工況下的流域模型，采用SIMPLE算法和Standardk-ε湍流模型，進(jìn)行了三通閥內(nèi)部流場(chǎng)的CFD分析，并與原設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比。模擬結(jié)果表明：旁路循環(huán)時(shí)該閥能有效地逐級(jí)消能，且滿足水泵的最低流量要求;除焦作業(yè)時(shí)三通閥上的壓降僅占系統(tǒng)壓降的0.6%，且閥芯密封面下部節(jié)流孔的設(shè)計(jì)有效地保護(hù)了主密封面不被破壞。閥門流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

1、前言

　　某煉油廠延遲焦化裝置的除焦方式為水力除焦。原來(lái)的高壓水泵出口的除焦水用2臺(tái)并聯(lián)的電動(dòng)閘閥控制，其管線復(fù)雜，在閘閥小開度節(jié)流時(shí)，閘板上壓降高達(dá)16MPa，氣蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，且含有焦炭細(xì)顆粒的水高速?zèng)_刷閥門，導(dǎo)致閘閥使用壽命一般只有2～3個(gè)月。

　　為提高除焦效率，該廠新增1臺(tái)高壓水泵，其揚(yáng)程為2200mH2O，額定流量200m3/h;并委托合肥通用機(jī)械研究院研制1臺(tái)三通閥替代水泵出口的2臺(tái)并聯(lián)閘閥，以滿足開泵時(shí)水泵的最小連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行流量，除焦管道的小流量低壓力預(yù)充滿，以及除焦作業(yè)時(shí)的高壓全流量;此外，該閥還要求耐沖刷，防堵塞。

　　近年來(lái)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展，為人們了解閥門內(nèi)部流場(chǎng)分布，探尋流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律提供了良好的途徑。本文采用FLU-ENT流體分析軟件，對(duì)水力除焦三通閥回流狀態(tài)和供水狀態(tài)下的流域進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證閥門流道的簡(jiǎn)化理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果的一致性。閥門流動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

2、水力除焦三通閥的物理模型

2.1、幾何結(jié)構(gòu)及工作原理

　　水力除焦三通閥整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水力除焦三通閥結(jié)構(gòu)

　　圖中，閥流入口A接泵出口;出口B接除焦器;出口C為旁路口，接泵的進(jìn)水池。

　　閥初始狀態(tài)為B口關(guān)閉，C口開啟。泵啟動(dòng)后，由A口流入閥體的水經(jīng)由循環(huán)旁路到達(dá)C口，進(jìn)而流入泵的進(jìn)水池，旁路流量不得小于泵的最小連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行流量，且旁路流道要承受22MPa壓差。

　　旁路穩(wěn)定后，閥芯上移到中間位，一部分水流從旁路C口再循環(huán)，另一部分水流則通過(guò)B口對(duì)除焦管道進(jìn)行低壓小流量預(yù)充。除焦管道充滿后，閥芯上移到位，C口關(guān)閉，B口全開，除焦器開始以最大水力除焦。當(dāng)除焦作業(yè)結(jié)束后，三通閥恢復(fù)其初始狀態(tài)，方可停泵。

2.2、水力除焦三通閥流域模型的建立

　　水力除焦三通閥的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜且不規(guī)則。本文采用PRO/E建立其主要零部件的幾何模型，按圖1進(jìn)行裝配，應(yīng)用布爾運(yùn)算進(jìn)行流道的抽取，抽取出的2種狀態(tài)下的流域模型如圖2所示。

圖2 水力除焦三通閥流域模型

2.3、基本假設(shè)

　　為便于分析討論，本文對(duì)水力除焦三通閥的內(nèi)部流動(dòng)作如下假設(shè)：

　　(1)流體為連續(xù)、不可壓縮的理想流體，定常流動(dòng);

　　(2)三通閥的入口流速均勻;

　　(3)流體與固壁之間無(wú)熱交換;(4)忽略重力的影響;

　　(5)其它遵從流體力學(xué)一般假設(shè)。

3、CFD數(shù)值計(jì)算

3.1、控制方程

　　本文采用較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬，連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、湍動(dòng)能k方程和耗散能ε方程構(gòu)成控制方程。

　　連續(xù)性方程式：

(1)

　　動(dòng)量守恒方程(N-S方程)式：

(2)

　　標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k方程和耗散能ε方程為：

(3)

(4)

　　式(3)和(4)中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;YM表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響，本文中不作考慮。湍流粘性系數(shù)μ=(ρCμk2)/ε。

表1 k-ε模型中的系數(shù)

3.2、流域模型網(wǎng)格劃分

　　水力除焦三通閥內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域如圖2所示，為保證流場(chǎng)流動(dòng)充分發(fā)展，在閥的入口、出口均加有直管段。由于模型的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故采用四面體網(wǎng)格對(duì)水力除焦三通閥的流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

　　將PRO/E軟件中建立流域模型，通過(guò)IGES或STP文件格式導(dǎo)入ICEMCFD或GAMBIT中進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理。網(wǎng)格數(shù)約為34萬(wàn)。

3.3、邊界條件

　　旁路循環(huán)狀態(tài)時(shí)，設(shè)定入口為壓力入口，出口為壓力出口;除焦作業(yè)狀態(tài)時(shí)，設(shè)定入口為速度入口條件，出口為自由出流，固壁采用無(wú)滑移邊界條件。具體如表2所示。

表2 邊界條件設(shè)置

4、計(jì)算結(jié)果及分析

　　將劃分好的網(wǎng)格，設(shè)置好邊界類型，導(dǎo)出.msh網(wǎng)格文件輸入到FLUENT中進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算迭代收斂后，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，或?qū)С龅胶筇幚碥浖�中進(jìn)行后處理。圖3為計(jì)算過(guò)程中的殘差收斂變化曲線監(jiān)視圖。圖中6條曲線分別為連續(xù)性方程、N-S方程(X/Y/Z)、湍動(dòng)能k方程、耗散能ε方程隨著迭失代數(shù)增加其殘差值的變化。計(jì)算在約3000步時(shí)收斂，為提高計(jì)算精度，換用二階迎風(fēng)格式繼續(xù)求解，計(jì)算很快再次達(dá)到收斂。

圖3 殘差收斂變化曲線

4.1、旁路循環(huán)工況

　　記載的簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果：在旁路循環(huán)狀態(tài)時(shí)，流體流入消能室能量損失約7%，消能室的4級(jí)消能分別約為17%(合計(jì)約68%)，從消能室再流入閥體，再經(jīng)由噴嘴流出能量損失約25%。該計(jì)算是通過(guò)將三通閥在旁路循環(huán)時(shí)的流道簡(jiǎn)化為一系列的突縮、突擴(kuò)管道，依據(jù)水力學(xué)理論，得出計(jì)算結(jié)果。

　　對(duì)旁路循環(huán)工況進(jìn)行CFD模擬，圖4為旁路循環(huán)狀態(tài)時(shí)三通閥內(nèi)流場(chǎng)的壓力云圖。按記載的簡(jiǎn)化流道模型中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，在三通閥內(nèi)測(cè)取相應(yīng)的壓力值，進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

圖4 旁路循環(huán)狀態(tài)閥內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布云

表3 消能計(jì)算對(duì)比分析

　　由表可知，模擬結(jié)果與三通閥的簡(jiǎn)化模型計(jì)算相一致：多級(jí)串聯(lián)閥內(nèi)件通過(guò)逐級(jí)降壓的方式約消能70%，避免了氣蝕的對(duì)閥芯回流段的損壞。模擬結(jié)果有效地驗(yàn)證了簡(jiǎn)化計(jì)算的可靠性，目測(cè)使用了4年的閥芯的回流段基本無(wú)損傷，進(jìn)一步證明模擬結(jié)果的正確性。

　　三通閥在旁路循環(huán)狀態(tài)時(shí)，壓差約22MPa條件下，模擬的回流流量為63m3/h，約占泵額定流量的31%，滿足水泵的最小流量要求，而計(jì)算回流流量約為水泵額定流量的45%，與模擬值接近，滿足工程使用要求。

4.2、水力除焦工況

　　在水力除焦作業(yè)工況下，通過(guò)CFD數(shù)值模擬，介質(zhì)流經(jīng)三通閥產(chǎn)生的壓降為139036Pa，僅占作業(yè)壓差的0.6%。水力除焦作業(yè)是通過(guò)高壓泵泵出的高壓水流經(jīng)三通閥，沿著管線到達(dá)噴嘴，高速水流切割除焦。壓能盡可能轉(zhuǎn)化為高速水流的動(dòng)能從而完成除焦作業(yè)。該閥產(chǎn)生的壓降較小，設(shè)計(jì)合理。

　　圖5所示為水力除焦作業(yè)工況下，三通閥局部速度矢量圖，從圖中可以看出，在閥門的密封面處流體流速值相對(duì)較小，即對(duì)密封面的沖刷較輕微，該閥設(shè)計(jì)較好地保護(hù)了密封面。

圖5 水力除焦?fàn)顟B(tài)時(shí)閥內(nèi)速度矢量

　　圖6為三通閥工作4年后拆卸下的閥芯部件，從圖中可以看出，閥門的密封面較完好，密封面下部的節(jié)流孔處沖蝕較嚴(yán)重，在閥門從旁路循環(huán)工況切換至水力除焦工況過(guò)程中，這些節(jié)流孔有效地保護(hù)了密封面。

圖6 閥芯主密封面下游的節(jié)流破壞

5、結(jié)語(yǔ)

　　本文采用流體分析軟件，對(duì)水力除焦三通閥回流狀態(tài)和供水狀態(tài)下的流域進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了閥門流道的簡(jiǎn)化模型計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果的一致性。在22MPa壓差下進(jìn)行旁路循環(huán)時(shí)，三通閥保證了高壓水泵的最小流量不低于水泵額定流量的30%，且多級(jí)串聯(lián)閥內(nèi)件通過(guò)逐級(jí)降壓的方式消能70%，避免了氣蝕的產(chǎn)生;在水力除焦工況下，三通閥產(chǎn)生的壓降僅占水泵壓頭的0.6%，最大程度地滿足了將水泵壓能轉(zhuǎn)化為高速水流的動(dòng)能從而滿足除焦作業(yè)的需要，且其閥芯密封面下部節(jié)流孔的設(shè)置有效地保護(hù)了密封面。三通閥在惡劣工況下使用4年，閥內(nèi)件完好;不同工況下，三通閥出口壓力和流量的實(shí)際值與模擬值基本一致。