水力除焦三通閥流道結構的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臺并聯的電動閘閥控制，其管線復雜，在閘閥小開度節流時，閘板上壓降高達16MPa，氣蝕現象嚴重，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臺并聯閘閥，以滿足開泵時水泵的zui小連續穩定運行流量，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)技術的發展，為人們了解閥門內部流場分布，探尋流動參數的變化規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和供水狀態下的流域進行數值模擬，驗證閥門流道的簡化理論計算與數值模擬結果的一致性。閥門流動的數值模擬結果符合現場應用情況。

水力除焦三通閥流道結構的CFD分析

2、水力除焦三通閥的物理模型

2.1、幾何結構及工作原理

   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。

　　閥初始狀態為B口關閉，C口開啟。泵啟動后，由A口流入閥體的水經由循環旁路到達C口，進而流入泵的進水池，旁路流量不得小于泵的zui小連續穩定運行流量，且旁路流道要承受22MPa壓差。

　　旁路穩定后，閥芯上移到中間位，一部分水流從旁路C口再循環，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口關閉，B口全開，除焦器開始以zui大水力除焦。當除焦作業結束后，三通閥恢復其初始狀態，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流道結構極其復雜且不規則。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，應用布爾運算進行流道的抽取，抽取出的2種狀態下的流域模型如圖2所示。

圖2 水力除焦三通閥流域模型

2.3、基本假設

　　為便于分析討論，本文對水力除焦三通閥的內部流動作如下假設：

　　(1)流體為連續、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。

3、CFD數值計算

3.1、控制方程

　　本文采用較為成熟的標準k-ε模型進行數值模擬，連續性方程、動量守恒方程、湍動能k方程和耗散能ε方程構成控制方程。

　　連續性方程式：

(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μ=(ρCμk2)/ε。

表1 k-ε模型中的系數

3.2、流域模型網格劃分

　　水力除焦三通閥內部流場的計算區域如圖2所示，為保證流場流動充分發展，在閥的入口、出口均加有直管段。由于模型的結構較為復雜，故采用四面體網格對水力除焦三通閥的流域進行網格劃分。

　　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中進行網格劃分處理。網格數約為34萬。

3.3、邊界條件

　　旁路循環狀態時，設定入口為壓力入口，出口為壓力出口;除焦作業狀態時，設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 邊界條件設置

4、計算結果及分析

　　將劃分好的網格，設置好邊界類型，導出.msh網格文件輸入到FLUENT中進行計算。在計算迭代收斂后，將計算結果進行后處理，或導出到后處理軟件中進行后處理。圖3為計算過程中的殘差收斂變化曲線監視圖。圖中6條曲線分別為連續性方程、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、旁路循環工況

　　記載的簡化模型計算結果：在旁路循環狀態時，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時的流道簡化為一系列的突縮、突擴管道，依據水力學理論，得出計算結果。

　　對旁路循環工況進行CFD模擬，圖4為旁路循環狀態時三通閥內流場的壓力云圖。按記載的簡化流道模型中對應的點，在三通閥內測取相應的壓力值，進行分析對比，結果如表3所示。

圖4 旁路循環狀態閥內部流場壓力分布云

表3 消能計算對比分析

　　由表可知，模擬結果與三通閥的簡化模型計算相一致：多級串聯閥內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，進一步證明模擬結果的正確性。

　　三通閥在旁路循環狀態時，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

　　在水力除焦作業工況下，通過CFD數值模擬，介質流經三通閥產生的壓降為139036Pa，僅占作業壓差的0.6%。水力除焦作業是通過高壓泵泵出的高壓水流經三通閥，沿著管線到達噴嘴，高速水流切割除焦。壓能盡可能轉化為高速水流的動能從而完成除焦作業。該閥產生的壓降較小，設計合理。

　　圖5所示為水力除焦作業工況下，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，該閥設計較好地保護了密封面。

圖5 水力除焦狀態時閥內速度矢量

　　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，密封面下部的節流孔處沖蝕較嚴重，在閥門從旁路循環工況切換至水力除焦工況過程中，這些節流孔有效地保護了密封面。

圖6 閥芯主密封面下游的節流破壞

5、結語

　　本文采用流體分析軟件，對水力除焦三通閥回流狀態和供水狀態下的流域進行了數值模擬，驗證了閥門流道的簡化模型計算與數值模擬結果的一致性。在22MPa壓差下進行旁路循環時，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%，且多級串聯閥內件通過逐級降壓的方式消能70%，避免了氣蝕的產生;在水力除焦工況下，三通閥產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化為高速水流的動能從而滿足除焦作業的需要，且其閥芯密封面下部節流孔的設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。