先导式泄压阀泄放过程流速模拟分析

2022-02-04杜廷召公茂柱

化工机械 2022年6期

叶昆杜廷召公茂柱张佳

（中国石油工程建设有限公司华北分公司）

管道系统中，泵站突然停电、各站场进出站阀门误操作关闭、线路监控阀室截断阀事故关断时均会导致管道发生水击［1］。目前，管道水击保护采用调速电机调速、调节阀调节、泄压保护及水击超前保护等措施，其中泄压保护作为管道的最后一道保护措施，当管道超压后将部分油品泄放至常压罐中，以减轻瞬变压力对管道造成的危害，从而保护管道安全。泄放过程流速变化是考验水击泄压阀是否有效发挥水击控制保护作用，能否保护下游管道和设备的重要指标。为此，笔者将重点说明先导式泄压阀选型计算，并对泄放过程流速进行模拟分析，以期为先导式泄压阀的实验研究及项目工程实际应用提供一定的理论参考。

1 先导式泄压阀

1.1 特点

先导式泄压阀在成品油管道应用较广，该阀是依靠阀体内部的导阀来开启的，结构简单，安装方便，不需要额外的辅助设施。先导式泄压阀的缺点是不适用于高粘油品，由于先导式泄放阀的导管较细，高粘油品易在导管内粘结，影响泄放效果，故先导式泄压阀通常应用于低粘度油品［2］。

1.2 工作原理

先导式泄压阀主要由主阀、先导阀、引压管及过滤器等组成（图1），其中主阀由阀体、阀座、滑塞及弹簧等构成。

图1 先导式泄压阀结构示意图

先导式泄压阀利用管道自身输送的介质通过导阀来控制泄压阀的启闭，不需要外置动力源，利用导阀弹簧设定泄压阀泄放开启压力，压力设定精度和压力设定范围受弹簧精度影响。

当输油管道正常工作时，在内腔设定压力作用下滑塞与主阀座紧密贴合，使泄压阀处于正常关闭状态；当输油管道发生水击，达到泄压阀设定值时，在阀门前后压差的作用下滑塞打开，通过滑塞外腔开始泄放油品并报警，管线压力下降，当管线压力恢复至正常工作压力时，滑塞与阀座紧密贴合，恢复阀门关闭状态，停止泄放。

2 先导式泄压阀选型分析

2.1 设计参数及计算公式

某成品油管道线路总长60 km，全线设置首站、末站两座站场，输送油品介质为汽油和柴油。在管道首站出站前设置先导式泄压阀，油品泄放至泄压罐内，泄压罐容积为500 m3。具体的工艺参数如下：

介质密度 0.85 g/cm3

设计压力 15 MPa

最大流量 750 m3/h

泄压阀开启压力设定值 10.5 MPa

背压 0.2 MPa

阀门流量Q的计算式为［3，4］：

式中 F——流量系数；

K——粘度修正系数，取值范围0.7～0.9（粘度大则取小值）；p1——背压，kPa；

ps——阀门开启压力设定值，kPa；ρ——密度，g/cm3。

流量系数F与泄压阀的构造有关，一般情况下取超设定压力10%时的流量系数。表1为某厂家泄压阀的流量系数。

表1 某厂家泄压阀的流量系数

因先导式泄压阀需考虑防汽蚀措施，故泄压阀入口流速不宜超过17.5 m/s［5］。根据下式，进一步校核泄压阀流速V：

式中 S——阀门流道面积，m2。

不同公称直径泄压阀的最小泄放面积见表2。

表2 不同公称直径泄压阀的最小泄放面积

2.2 先导式泄压阀公称直径计算

根据式（1）输入相关数据，计算得出流量系数F计，根据表1，F计与超过设定压力10%时的流量系数F进行比较，选取F比F计大时对应的泄压阀公称直径作为初选公称直径。根据式（2）和表2，校核先导式泄压阀达到泄放流量时的最大流速（不超过17.5 m/s），此时先导式泄压阀选型满足工程要求。

2.3 先导式泄压阀选型结果

通过表3的计算结果可知，该管道工程先导式泄压阀公称直径选用150 mm，满足工程要求。

表3 选型结果

3 先导式泄压阀泄放过程模拟分析

当流体在密闭长输管道中发生水击时，液体在减速的情况下迅速将动能转化为压能。先导式泄压阀水击保护控制过程是系统压力降至其开启值的压力平衡过程。根据《液体石油产品静电安全规程》“轻质油品油罐入口管道流速最大流速不应大于7 m/s，若采用其他有效防静电措施（如防静电添加剂、静电消除器等）可不受上述限制”。在先导式泄压阀正常泄放时，若泄放管线流速过高，则易产生积聚静电等导致火灾爆炸的风险，对下游管道和设备造成损坏。

由于泄压过程流体的复杂性和多样性，难以通过实验分析给出较为精确的结论，而且难以获得泄压阀内部构造特征。故笔者采用Fluent软件［6］对泄放过程下游管线两种工况进行模拟分析，假设：先导式泄压阀下游管线至泄压罐为空管；先导式泄压阀下游管线至泄压罐管线充满油品，泄压罐静压为0.2 MPa。

3.1 先导式泄压阀模型建立及边界条件

3.1.1 模型建立

笔者对某厂家生产的DN150 mm先导式泄压阀进行研究分析。阀门的结构参数主要有：入口直径150 mm，出口直径150 mm，阀芯行程40 mm，阀芯直径100 mm，流道长度450 mm，阀芯壳体直径230 mm，阀体内腔最大尺寸252 mm。

采用SIMPLE算法，标准k-ε模型双方程，采用有限体积法对控制方程进行离散。首先定义流体域类型为Fluid Domain，分析类型为瞬态，选取计算时间0.3 s，时间步长0.001 s，最大迭代数为3 000；其次定义阀芯类型为Immersed solid，选择阀芯运动方式为Specifed Displacement［7～9］。

3.1.2 边界条件设置

流体介质为20 ℃的柴油，按照最大泄放量750 m3/h进行模拟，通过表3可知，先导式泄压阀流速为11.8 m/s。假定先导式泄压阀出口至泄压罐之间管线长度为10 m，管径为273.1 mm。

3.1.3 网格划分

运用ICEM CFD对先导式泄压阀流体域及出口管道运动域模型划分网格，先导式泄压阀流体域及出口管道运动域网格划分如图2所示。将流道网格导入Fluent，进行流态仿真。

图2 先导式泄压阀流体域及出口管道运动域网格划分

3.2 计算过程模拟分析

3.2.1 先导式泄压阀下游管线至泄压罐为空管

先导式泄压阀在最大泄放量的运行条件下，通过模拟计算可知：当达到先导式泄压阀设定值时，先导式泄压阀开启，阀芯的流速快速升高，流速达到最大值13.0 m/s（图3），此时随着阀门开度的增加，阀门内部速度场变化不大，在阀门出口的位置，流速为11.4 m/s（图4），流速减小；当低于先导式泄压阀设定值时，先导式泄压阀关闭；随着泄放压力的变化和管线沿程摩阻损失，先导式泄压阀下游管线0.1 m处流速为9.2 m/s （图5），在先导式泄压阀下游管线1.0 m处流速为3.2 m/s（图6），先导式泄压阀下游管线在进泄压罐前流速为3.2 m/s并趋于稳定。

图3 先导式泄压阀阀芯流速

图4 先导式泄压阀出口流速

图5 先导式泄压阀下游管线0.1 m处流速

图6 先导式泄压阀下游管线1.0 m处流速

3.2.2 先导式泄压阀下游管线至泄压罐管线充满油品

先导式泄压阀在最大泄放量的运行条件下，通过模拟计算可知：当达到先导式泄压阀设定值时，先导式泄压阀开启，阀芯的流速快速升高，流速达到最大值13.2 m/s（图7），此时随着阀门开度的增加，阀门内部速度场变化不大，在阀门出口位置流速为11.1 m/s（图8），流速减小；当低于先导式泄压阀设定值时，先导式泄压阀关闭；随着泄放压力的变化和管线沿程摩阻损失，先导式泄压阀下游管线1.0 m处流速为6.5 m/s（图9）；先导式泄压阀下游管线3.2 m处流速为4.8 m/s（图10）；先导式泄压阀下游管线在进泄压罐前流速为3.2 m/s并趋于稳定。

图7 先导式泄压阀阀芯流速

图8 先导式泄压阀出口流速

图9 先导式泄压阀下游管线1.0 m处流速

图10 先导式泄压阀下游管线3.2 m处流速

通过Fluent软件模拟上述两种工况可知，随着泄放压力的变化和管线沿程摩阻损失，先导式泄压阀出口管道速度总体呈现先增大后减小的趋势，先导式泄压阀下游管线流速逐渐降低，流速在进泄压罐前已降至3.2 m/s（小于7 m/s），不会因流速过高而对泄压罐造成影响。同时计算结果表明，先导式泄压阀阀芯部分有明显的节流效应，能够保护管道和设备，该先导式泄压阀在水击发生时能够有效发挥水击控制保护作用［10］。