LNG加气站低温截止阀内部流场数值模拟研究

杨建坤

(中海油能源发展装备技术有限公司 天津 300457)

0 引 言

在流体输送过程中，为改变输送流量或是应对紧急突发状况，需调整或切断流体在管道内的流动，以满足工艺要求并保障设备安全。因此，常在关键管线上设置截止阀。

LNG加气站常用的低温截止阀如图 1所示，该截止阀主要由旋转手轮、阀杆、阀瓣以及壳体组成。阀瓣沿阀座中心线上下移动，使用时，通过旋转手轮，控制阀杆压力，完成阀瓣的开启与闭合，达到控制流量的作用；当阀瓣完全闭合时，阀瓣密封面与阀座密封面紧密贴合(密封面呈平面或锥面)，阻止介质流通。

图1 截止阀DN65Fig.1 Globe valve DN65

1 阀门三维模型的建立

在 LNG管道中，由于液化天然气在管道内的温度较低(-162,℃)，对阀门材料有较高的要求。目前，截止阀的制造标准以 JB/T 2203—1999《截止阀结构长度》为主，但此标准规格不全，导致各厂家生产的截止阀规格也不同。本管线中采用国内某公司生产的DJ 41F-40P 低温长轴截止阀，其基本参数如表1所示，其阀门尺寸示意图如图2所示，基本尺寸如表2所示。

表1 DJ41F-40P低温长轴截止阀基本参数表Tab.1 Basic parameters of the low temperature long axis globe valve(DJ41F-40P)

由于截止阀流道比较复杂，有些研究者对内部流道进行了相应简化，简化模型如图3所示。

表2 DJ41F-40P低温长轴截止阀基本尺寸表Tab.2 Basic size of the low temperature long axis globe valve(DJ41F-40P)

图2 DJ41F-40P阀门尺寸示意图Fig.2 Schematic diagram of the size of DJ41F-40P globe valve

图3 截止阀流道简化模型图Fig.3 Simplified model diagram of the globe valve’s ports

为了使对截止阀内部流场的研究切合工程实际，保证计算结果的准确性，本文对 DJ41F-40P截止阀中间截面流道进行了实际测绘，根据测绘结果绘制出截止阀流道中间截面各位置的具体参数，如图4所示。

图4 DJ41F-40P流道中间截面具体参数图Fig.4 Midsection parameters of the DJ41F-40P globe valve’s flow channel

根据中间流道的测绘参数，使用 SolidWorks软件绘制截止阀内部流道三维模型。

流道建模过程如下：①将流道分为进口流道(从进口到阀瓣与阀体密封面处)、阀瓣空间及出口流道以上 3部分，分别建模，确定建模基准面；②在基准面上绘制流道草图，采用放样、旋转等命令，分别完成以上3部分的建模；③对进口流道、阀瓣空间和出口流道的模型采用组合命令，使这 3部分模型成为一体。

根据以上步骤，建立截止阀流道三维模型，实体模型如图5所示，流道中间截面(阀瓣全开状态)如图6所示。

图5 截止阀流道实体模型Fig.5 Physical model of the globe valve’s flow channel

图6 截止阀流道中间截面图(阀瓣全开状态)Fig.6 Midsection of the globe valve’s flow channel (with disc in full open position)

2 内部流场数值模拟研究

①边界条件设置：速度进口2,m/s，自由出流，温度110,K。②交界面设置：整体模型是多实体的组合，设置交界面为Interface类型，创建交界面匹配。③物质：液态天然气物质属性。④其他：VOF模型，操作压力0.4,MPa，重力加速度沿Y轴负向(即重力向下)。

待流动充分发展，得到截止阀内部流场压力(表压)如图7所示，截止阀内部中间截面流如图8所示。

图7 截止阀内部流场压力(表压)图Fig.7 Interior flow field pressure(gauge pressure)of the globe valve

由图7可以看出，进口流道整体压降在1,000,Pa以内，压降较小；经过阀瓣空间进入出口流道后，流体压降显著增大，表面的局部区域压降达到 12,000,Pa(约 2.89,m)，这是因为在此流动过程中，流体要在有限且不规则的空间内完成两次 90,°转向，并与阀瓣和阀体内壁面激烈碰撞，导致压力损失突增。

图8 截止阀内部中间截面流线图Fig.8 Flow pattern of internal midsection of the globe valve

从图 8可以看出，流体从入口流道进入上部流道过程中，大部分流体在阀瓣右侧流入出口流道，小部分进入阀瓣左侧空间。中间截面流线图中，阀瓣左侧的阀体空间存在明显的涡旋，且流线很少通过此区域，此区域内流体的更新较慢，即死水区(死水区内的流态特点为存在明显的漩涡)。此外，流体进入出口通道后，由于出口通道的进口管径较小，流进出口流道的流体存在喷管现象，即液体以较高的速度射入出口流道内，导致部分区域出现低压，尤其在流体转向作用明显的区域，此现象更为明显。在出口流道底部的中间区域，由于液体流量较小、压力较低，且出口流道出口处压力变大，因此出现部分回流现象，导致出口流道底部的中间区域出现漩涡。

3 结 语

本文以 LNG加气站用 DN65截止阀为例，利用SolidWorks软件对其进行三维建模，并使用 Fluent软件对其内部的流场进行数值模拟研究，得到了截止阀内部流场压力场变化及流体在阀门内部的流向分布，该分析结果为 LNG的管路特性分析研究、LNG加气站潜液泵的选型和LNG加气站的管路布局优化提供了理论依据。■

［1］莱昂斯.阀门技术手册[M].北京：机械工业出版社，1991.

［2］杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

［3］韩占忠.流体工程仿真计算[M].北京：北京理工大学，2005.