水力除焦三通閥流道結(jié)構(gòu)的CFD分析

1、前言

　　某煉油廠延遲焦化裝置的除焦方式為水力除焦。原來的高壓水泵出口的除焦水用2臺并聯(lián)的電動閘閥控制，其管線復雜，在閘閥小開度節(jié)流時，閘板上壓降高達16MPa，氣蝕現(xiàn)象嚴重，且含有焦炭細顆粒的水高速沖刷閥門，導致閘閥使用壽命一般只有2～3個月。

　　為提高除焦效率，該廠新增1臺高壓水泵，其揚程為2200mH2O，額定流量200m3/h;并委托合肥通用機械研究院研制1臺三通閥替代水泵出口的2臺并聯(lián)閘閥，以滿足開泵時水泵的zui小連續(xù)穩(wěn)定運行流量，除焦管道的小流量低壓力預充滿，以及除焦作業(yè)時的高壓全流量;此外，該閥還要求耐沖刷，防堵塞。

　　近年來，計算流體動力學(CFD)技術(shù)的發(fā)展，為人們了解閥門內(nèi)部流場分布，探尋流動參數(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，對水力除焦三通閥回流狀態(tài)和供水狀態(tài)下的流域進行數(shù)值模擬，驗證閥門流道的簡化理論計算與數(shù)值模擬結(jié)果的一致性。閥門流動的數(shù)值模擬結(jié)果符合現(xiàn)場應(yīng)用情況。

水力除焦三通閥流道結(jié)構(gòu)的CFD分析

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

   閥流入口A接泵出口;出口B接除焦器;出口C為旁路口，接泵的進水池。

　　閥初始狀態(tài)為B口關(guān)閉，C口開啟。泵啟動后，由A口流入閥體的水經(jīng)由循環(huán)旁路到達C口，進而流入泵的進水池，旁路流量不得小于泵的zui小連續(xù)穩(wěn)定運行流量，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B口對除焦管道進行低壓小流量預充。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zui大水力除焦。當除焦作業(yè)結(jié)束后，三通閥恢復其初始狀態(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進行裝配，應(yīng)用布爾運算進行流道的抽取，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，本文對水力除焦三通閥的內(nèi)部流動作如下假設(shè)：

　　(1)流體為連續(xù)、不可壓縮的理想流體，定常流動;

　　(2)三通閥的入口流速均勻;

　　(3)流體與固壁之間無熱交換;(4)忽略重力的影響;

　　(5)其它遵從流體力學一般假設(shè)。

3、CFD數(shù)值計算

3.1、控制方程

　　本文采用較為成熟的標準k-ε模型進行數(shù)值模擬，連續(xù)性方程、動量守恒方程、湍動能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)

　　動量守恒方程(N-S方程)式：

(2)

　　標準k-ε模型的湍動能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能產(chǎn)生;YM表示可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響，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)部流場的計算區(qū)域如圖2所示，為保證流場流動充分發(fā)展，在閥的入口、出口均加有直管段。由于模型的結(jié)構(gòu)較為復雜，故采用四面體網(wǎng)格對水力除焦三通閥的流域進行網(wǎng)格劃分。

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

3.3、邊界條件

　　旁路循環(huán)狀態(tài)時，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，設(shè)定入口為速度入口條件，出口為自由出流，固壁采用無滑移邊界條件。具體如表2所示。

表2 邊界條件設(shè)置

4、計算結(jié)果及分析

　　將劃分好的網(wǎng)格，設(shè)置好邊界類型，導出.msh網(wǎng)格文件輸入到FLUENT中進行計算。在計算迭代收斂后，將計算結(jié)果進行后處理，或?qū)С龅胶筇幚碥浖羞M行后處理。圖3為計算過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。計算在約3000步時收斂，為提高計算精度，換用二階迎風格式繼續(xù)求解，計算很快再次達到收斂。

圖3 殘差收斂變化曲線

4.1、旁路循環(huán)工況

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

　　對旁路循環(huán)工況進行CFD模擬，圖4為旁路循環(huán)狀態(tài)時三通閥內(nèi)流場的壓力云圖。按記載的簡化流道模型中對應(yīng)的點，在三通閥內(nèi)測取相應(yīng)的壓力值，進行分析對比，結(jié)果如表3所示。

圖4 旁路循環(huán)狀態(tài)閥內(nèi)部流場壓力分布云

表3 消能計算對比分析

　　由表可知，模擬結(jié)果與三通閥的簡化模型計算相一致：多級串聯(lián)閥內(nèi)件通過逐級降壓的方式約消能70%，避免了氣蝕的對閥芯回流段的損壞。模擬結(jié)果有效地驗證了簡化計算的可靠性，目測使用了4年的閥芯的回流段基本無損傷，進一步證明模擬結(jié)果的正確性。

　　三通閥在旁路循環(huán)狀態(tài)時，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zui小流量要求，而計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)是通過高壓泵泵出的高壓水流經(jīng)三通閥，沿著管線到達噴嘴，高速水流切割除焦。壓能盡可能轉(zhuǎn)化為高速水流的動能從而完成除焦作業(yè)。該閥產(chǎn)生的壓降較小，設(shè)計合理。

　　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較小，即對密封面的沖刷較輕微，該閥設(shè)計較好地保護了密封面。

圖5 水力除焦狀態(tài)時閥內(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)流孔處沖蝕較嚴重，在閥門從旁路循環(huán)工況切換至水力除焦工況過程中，這些節(jié)流孔有效地保護了密封面。

圖6 閥芯主密封面下游的節(jié)流破壞

5、結(jié)語

　　本文采用流體分析軟件，對水力除焦三通閥回流狀態(tài)和供水狀態(tài)下的流域進行了數(shù)值模擬，驗證了閥門流道的簡化模型計算與數(shù)值模擬結(jié)果的一致性。在22MPa壓差下進行旁路循環(huán)時，三通閥保證了高壓水泵的zui小流量不低于水泵額定流量的30%，且多級串聯(lián)閥內(nèi)件通過逐級降壓的方式消能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%，zui大程度地滿足了將水泵壓能轉(zhuǎn)化為高速水流的動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際值與模擬值基本一致。