水力除焦三通阀流道结构的CFD分析

    1 前言

    某炼油厂延迟焦化装置的除焦方式为水力除焦。原来的高压水泵出口的除焦水用2台并联的电动闸阀控制，其管线复杂，在闸阀小开度节流时，闸板上压降高达16MPa，气蚀现象严重，且含有焦炭细颗粒的水高速冲刷阀门，导致闸阀使用寿命一般只有2～3个月。

    为提高除焦效率，该厂新增1台高压水泵，其扬程为2200mH₂O，额定流量200m³/h；并委托合肥通用机械研究院研制1台三通阀替代水泵出口的2台并联闸阀，以满足开泵时水泵的最小连续稳定运行流量，除焦管道的小流量低压力预充满，以及除焦作业时的高压全流量；此外，该阀还要求耐冲刷，防堵塞。

    近年来，计算流体动力学（CFD）技术的发展，为人们了解阀门内部流场分布，探寻流动参数的变化规律提供了良好的途径。本文采用FLU-ENT流体分析软件，对水力除焦三通阀回流状态和供水状态下的流域进行数值模拟，验证阀门流道的简化理论计算与数值模拟结果的一致性。阀门流动的数值模拟结果符合现场应用情况。

    2 水力除焦三通阀的物理模型

    2.1 几何结构及工作原理

    水力除焦三通阀整体结构如图1所示。

图1 水力除焦三通阀结构    

    图中，阀流入口A接泵出口；出口B接除焦器；出口C为旁路口，接泵的进水池。

    阀初始状态为B口关闭，C口开启。泵启动后，由A口流入阀体的水经由循环旁路到达C口，进而流入泵的进水池，旁路流量不得小于泵的最小连续稳定运行流量，且旁路流道要承受22MPa压差。

    旁路稳定后，阀芯上移到中间位，一部分水流从旁路C口再循环，另一部分水流则通过B口对除焦管道进行低压小流量预充。除焦管道充满后，阀芯上移到位，C口关闭，B口全开，除焦器开始以最大水力除焦。当除焦作业结束后，三通阀恢复其初始状态，方可停泵。

    2.2 水力除焦三通阀流域模型的建立

    水力除焦三通阀的内流道结构极其复杂且不规则。本文采用PRO/E建立其主要零部件的几何模型，按图1进行装配，应用布尔运算进行流道的抽取，抽取出的2种状态下的流域模型如图2所示。

图2 水力除焦三通阀流域模型    

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    2.3 基本假设    

    为便于分析讨论，本文对水力除焦三通阀的内部流动作如下假设：

    （1）流体为连续、不可压缩的理想流体，定常流动；

    （2）三通阀的入口流速均匀；

    （3）流体与固壁之间无热交换；（4）忽略重力的影响；

    （5）其它遵从流体力学一般假设。

    3 CFD数值计算

    3.1 控制方程    

    本文采用较为成熟的标准k－ε模型进行数值模拟，连续性方程、动量守恒方程、湍动能k方程和耗散能ε方程构成控制方程。

    连续性方程式：

       （1）

    动量守恒方程（N－S方程）式：

        （2）

    标准k－ε模型的湍动能k方程和耗散能ε方程为：

        （3）

        （4）

    式（3）和（4）中，G_k表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生；Y_M表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，本文中不作考虑。湍流粘性系数μ=（ρC_μk²）/ε。

表1 k－ε模型中的系数

    3.2 流域模型网格划分

    水力除焦三通阀内部流场的计算区域如图2所示，为保证流场流动充分发展，在阀的入口、出口均加有直管段。由于模型的结构较为复杂，故采用四面体网格对水力除焦三通阀的流域进行网格划分。

    将PRO/E软件中建立流域模型，通过IGES或STP文件格式导入ICEMCFD或GAMBIT中进行网格划分处理。网格数约为34万。

    3.3 边界条件

    旁路循环状态时，设定入口为压力入口，出口为压力出口；除焦作业状态时，设定入口为速度入口条件，出口为自由出流，固壁采用无滑移边界条件。具体如表2所示。

表2 边界条件设置

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    4 计算结果及分析

    将划分好的网格，设置好边界类型，导出.msh网格文件输入到FLUENT中进行计算。在计算迭代收敛后，将计算结果进行后处理，或导出到后处理软件中进行后处理。图3为计算过程中的残差收敛变化曲线监视图。图中6条曲线分别为连续性方程、N－S方程（X/Y/Z）、湍动能k方程、耗散能ε方程随着迭失代数增加其残差值的变化。计算在约3000步时收敛，为提高计算精度，换用二阶迎风格式继续求解，计算很快再次达到收敛。

图3 残差收敛变化曲线

    4.1 旁路循环工况

    记载的简化模型计算结果：在旁路循环状态时，流体流入消能室能量损失约7%，消能室的4级消能分别约为17%（合计约68%），从消能室再流入阀体，再经由喷嘴流出能量损失约25%。该计算是通过将三通阀在旁路循环时的流道简化为一系列的突缩、突扩管道，依据水力学理论，得出计算结果。

    对旁路循环工况进行CFD模拟，图4为旁路循环状态时三通阀内流场的压力云图。按记载的简化流道模型中对应的点，在三通阀内测取相应的压力值，进行分析对比，结果如表3所示。

图4 旁路循环状态阀内部流场压力分布云

表3 消能计算对比分析

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    由表可知，模拟结果与三通阀的简化模型计算相一致：多级串联阀内件通过逐级降压的方式约消能70%，避免了气蚀的对阀芯回流段的损坏。模拟结果有效地验证了简化计算的可靠性，目测使用了4年的阀芯的回流段基本无损伤，进一步证明模拟结果的正确性。

    三通阀在旁路循环状态时，压差约22MPa条件下，模拟的回流流量为63m³/h，约占泵额定流量的31%，满足水泵的最小流量要求，而计算回流流量约为水泵额定流量的45%，与模拟值接近，满足工程使用要求。

    4.2 水力除焦工况

    在水力除焦作业工况下，通过CFD数值模拟，介质流经三通阀产生的压降为139036Pa，仅占作业压差的0.6%。水力除焦作业是通过高压泵泵出的高压水流经三通阀，沿着管线到达喷嘴，高速水流切割除焦。压能尽可能转化为高速水流的动能从而完成除焦作业。该阀产生的压降较小，设计合理。

    图5所示为水力除焦作业工况下，三通阀局部速度矢量图，从图中可以看出，在阀门的密封面处流体流速值相对较小，即对密封面的冲刷较轻微，该阀设计较好地保护了密封面。

图5 水力除焦状态时阀内速度矢量

    图6为三通阀工作4年后拆卸下的阀芯部件，从图中可以看出，阀门的密封面较完好，密封面下部的节流孔处冲蚀较严重，在阀门从旁路循环工况切换至水力除焦工况过程中，这些节流孔有效地保护了密封面。

图6 阀芯主密封面下游的节流破坏

    5 结语

    本文采用流体分析软件，对水力除焦三通阀回流状态和供水状态下的流域进行了数值模拟，验证了阀门流道的简化模型计算与数值模拟结果的一致性。在22MPa压差下进行旁路循环时，三通阀保证了高压水泵的最小流量不低于水泵额定流量的30%，且多级串联阀内件通过逐级降压的方式消能70%，避免了气蚀的产生；在水力除焦工况下，三通阀产生的压降仅占水泵压头的0.6%，最大程度地满足了将水泵压能转化为高速水流的动能从而满足除焦作业的需要，且其阀芯密封面下部节流孔的设置有效地保护了密封面。三通阀在恶劣工况下使用4年，阀内件完好；不同工况下，三通阀出口压力和流量的实际值与模拟值基本一致。