水力除焦三通阀流道结构CFD分析

1 前言

炼油厂延迟焦化装置的除焦方法是水力除焦。原高压水泵出口的除焦水由两个并联电动闸阀控制，管道复杂。当闸阀开度小时，闸板压降高达16MPa，气蚀现象严重，含焦炭细颗粒的水高速冲刷阀，使闸阀使用寿命一般只有2~3个月。

为提高除焦效率，该厂新增高压水泵2200台mH₂O，额定流量200m³/h；并委托合肥通用机械研究院开发一个三通阀，取代泵出口的两个并联闸阀，满足泵开启时泵的最小连续稳定运行流量，除焦管小流量、低压预充，除焦作业时高压全流量；此外，阀门还需要耐冲刷和堵塞。

近年来计算流体动力学（CFD）技术的发展为人们了解阀门内流场的分布，探索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 水力除焦三通阀物理模型

2.1 几何结构和工作原理

如图1所示。

图1

图中，阀流入口A泵出口；出口B除焦器；出口C为旁路口，接泵进水池。

阀门的初始状态为B口关闭，C开口。泵启动后，由A流入阀体的水通过循环旁路到达C进入泵的入口，旁路流量不得小于泵的最小连续稳定运行流量，旁路流道应承受22MPa压差。

旁路稳定后，阀芯向中间位移动，部分水流从旁路流动C口再循环，另一部分水流通过B低压小流量预充除焦管。除焦管充满后，阀芯向上移动，C口关闭，B开口完全打开，除焦器开始以最大水力除焦。除焦后，三通阀恢复初始状态，停止泵。

2.建立2 水力除焦三通阀流域模型

水力除焦三通阀的内流道结构极其复杂不规则。本文采用PRO/E建立其主要部件的几何模型，按图1组装，采用布尔运算提取流道。提取的两种流域模型如图2所示。

图2 水力除焦三通阀流域模型

♂

2.3基本假设    

为便于分析讨论，本文假设水力除焦三通阀：

(1)流体是连续不可压缩的理想流体，定期流动；

(2)三通阀入口流量均匀；

(3)流体与固壁之间无热交换；(4)忽略重力的影响；

(5)其他遵循流体力学的假设。

3 CFD数值计算

3.1控制方程    

本文采用了相对成熟的标准k－ε模型模拟数值，连续方程，动量守恒方程，湍动能k方程和耗散能ε控制方程构成方程。

连续方程：

   （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）

在类型(3)和(4)中，G_k表示由平均速度梯度引起的湍动能；Y_M本文不考虑可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。湍流粘度系数μ=（ρC_μk²）/ε。

表1 k－ε模型中的系数

3.2流域模型网格划分

水力除焦三通阀内流场的计算区域如图2所示。为了保证流场流动的充分发展，在阀门的入口和出口增加了直管段。由于模型结构复杂，水力除焦三通阀流域采用四面体网格进行网格划分。

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

3.3 边界条件

旁路循环时，设置入口为压力入口，出口为压力出口；除焦作业时，设置入口为速度入口，出口为自由出口，固壁为无滑动边界。具体如表2所示。

表2 边界条件设置

♂

4计算结果及分析

划分网格，设置边界类型，导出.msh输入网格文件FLUENT计算。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进行后处理。图3显示了计算过程中残余收敛变化的曲线监测图。图中的六条曲线是连续的方程N－S方程（X/Y/Z）、湍动能k方程，耗散能ε随着迭代失代数的增加，方程的残余值发生了变化。计算在约3000步时收敛。为了提高计算精度，计算很快再次收敛。

图3 残差收敛变化曲线

4.旁路循环工况

记录的简化模型计算结果：在旁路循环状态下，流体流入消能室的能量损失约为7%，消能室的四级消能量损失约为17%（总计约为68%），从消能室流入阀体，然后通过喷嘴流出的能量损失约为25%。该计算结果是根据水力学理论将三通阀在旁路循环中的流道简化为一系列突缩和突扩管。

进行旁路循环CFD模拟图4为旁路循环时三通阀内流场的压力云图。根据简化流道模型中记录的相应点，在三通阀中测量相应的压力值，如表3所示。

图4 旁路循环状态阀内流场压力分布云

表3 消能计算对比分析

♂

从表中可以看出，模拟结果与三通阀的简化模型计算一致：多级串联阀内部通过逐步降压消耗约70%的能量，避免了阀芯回流段的气蚀损坏。模拟结果有效验证了简化计算的可靠性。目视检查使用4年的阀芯回流段基本无损坏，进一步证明了模拟结果的正确性。

当三通阀处于旁路循环状态时，压差约为22MPa模拟回流流量为63m³/h，约占泵额定流量的31%，满足泵的最小流量要求，计算回流量约为泵额定流量的45%，接近模拟值，满足工程使用要求。

4.2.水力除焦工况

通过水力除焦作业CFD通过三通阀产生的介质压降为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，沿管道到达喷嘴，高速水流切割除焦。压力能尽可能转化为高速水流的动能，从而完成除焦作业。阀门压降小，设计合理。

图5显示了三通阀局部速度矢量图。从图中可以看出，阀门密封面处的流体流量值相对较小，即密封面冲刷较轻，阀门设计更好地保护了密封面。

图5

图6是三通阀工作4年后拆下的阀芯部件。从图中可以看出，阀门的密封面完好，密封面下部的节流孔被严重侵蚀。在阀门从旁路循环条件切换到水力除焦条件的过程中，这些节流孔有效地保护了密封面。

图6 阀芯主密封面下游节流损坏

5结语

本文采用流体分析软件模拟水力除焦三通阀回流状态和供水状态下的流域，验证了阀门流道简化模型计算与数值模拟结果的一致性。MPa在压差下进行旁路循环时，三通阀保证高压水泵最小流量不低于水泵额定流量的30%，多级串联阀内部通过逐步降压消耗70%的能量，避免气蚀；在水力除焦条件下，三通阀产生的压降仅占水泵压头的0%.6%最大限度地满足了将水泵压能转化为高速水流的动能，以满足除焦作业的需要，阀芯密封面下部节流孔的设置有效地保护了密封面。三通阀在恶劣条件下使用4年，阀内部件完好；在不同条件下，三通阀的出口压力和流量实际值与模拟值基本相同。