1 前言

煉油廠延遲焦化裝置的除焦方法是水力除焦。原高壓水泵出口的除焦水由兩個(gè)并聯(lián)電動(dòng)閘閥控制，管道復(fù)雜。當(dāng)閘閥開(kāi)度小時(shí)，閘板壓降高達(dá)16MPa，氣蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，含焦炭細(xì)顆粒的水高速?zèng)_刷閥，使閘閥使用壽命一般只有2~3個(gè)月。

為提高除焦效率，該廠新增高壓水泵2200臺(tái)mH₂O，額定流量200m³/h；并委托合肥通用機(jī)械研究院開(kāi)發(fā)一個(gè)三通閥，取代泵出口的兩個(gè)并聯(lián)閘閥，滿足泵開(kāi)啟時(shí)泵的最小連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行流量，除焦管小流量、低壓預(yù)充，除焦作業(yè)時(shí)高壓全流量；此外，閥門還需要耐沖刷和堵塞。

近年來(lái)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展為人們了解閥門內(nèi)流場(chǎng)的分布，探索流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律提供了良好的途徑。本文采用FLU-ENT流體分析軟件，對(duì)水力除焦三通閥回流狀態(tài)和供水狀態(tài)下的流域進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證閥門流道的簡(jiǎn)化理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果的一致性。閥門流動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

2 水力除焦三通閥物理模型

2.1 幾何結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示。

圖1

圖中，閥流入口A泵出口；出口B除焦器；出口C為旁路口，接泵進(jìn)水池。

閥門的初始狀態(tài)為B口關(guān)閉，C開(kāi)口。泵啟動(dòng)后，由A流入閥體的水通過(guò)循環(huán)旁路到達(dá)C進(jìn)入泵的入口，旁路流量不得小于泵的最小連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行流量，旁路流道應(yīng)承受22MPa壓差。

旁路穩(wěn)定后，閥芯向中間位移動(dòng)，部分水流從旁路流動(dòng)C口再循環(huán)，另一部分水流通過(guò)B低壓小流量預(yù)充除焦管。除焦管充滿后，閥芯向上移動(dòng)，C口關(guān)閉，B開(kāi)口完全打開(kāi)，除焦器開(kāi)始以最大水力除焦。除焦后，三通閥恢復(fù)初始狀態(tài)，停止泵。

2.建立2 水力除焦三通閥流域模型

水力除焦三通閥的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜不規(guī)則。本文采用PRO/E建立其主要部件的幾何模型，按圖1組裝，采用布爾運(yùn)算提取流道。提取的兩種流域模型如圖2所示。

圖2 水力除焦三通閥流域模型

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2.3基本假設(shè)    

為便于分析討論，本文假設(shè)水力除焦三通閥：

(1)流體是連續(xù)不可壓縮的理想流體，定期流動(dòng)；

(2)三通閥入口流量均勻；

(3)流體與固壁之間無(wú)熱交換；(4)忽略重力的影響；

(5)其他遵循流體力學(xué)的假設(shè)。

3 CFD數(shù)值計(jì)算

3.1控制方程    

本文采用了相對(duì)成熟的標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型模擬數(shù)值，連續(xù)方程，動(dòng)量守恒方程，湍動(dòng)能k方程和耗散能ε控制方程構(gòu)成方程。

連續(xù)方程：

   （1）

動(dòng)量守恒方程（N－S方程）式：

   （2）

標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型的湍動(dòng)能k方程和耗散能ε方程為：

   （3）

   （4）

在類型(3)和(4)中，G_k表示由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；Y_M本文不考慮可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響。湍流粘度系數(shù)μ=（ρC_μk²）/ε。

表1 k－ε模型中的系數(shù)

3.2流域模型網(wǎng)格劃分

水力除焦三通閥內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域如圖2所示。為了保證流場(chǎng)流動(dòng)的充分發(fā)展，在閥門的入口和出口增加了直管段。由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水力除焦三通閥流域采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

將PRO/E在軟件中建立流域模型IGES或STP導(dǎo)入文件格式ICEMCFD或GAMBIT網(wǎng)格劃分處理。網(wǎng)格數(shù)約為34萬(wàn)。

3.3 邊界條件

旁路循環(huán)時(shí)，設(shè)置入口為壓力入口，出口為壓力出口；除焦作業(yè)時(shí)，設(shè)置入口為速度入口，出口為自由出口，固壁為無(wú)滑動(dòng)邊界。具體如表2所示。

表2 邊界條件設(shè)置

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4計(jì)算結(jié)果及分析

劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界類型，導(dǎo)出.msh輸入網(wǎng)格文件FLUENT計(jì)算。計(jì)算迭代收斂后，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，或?qū)С龅胶筇幚碥浖M(jìn)行后處理。圖3顯示了計(jì)算過(guò)程中殘余收斂變化的曲線監(jiān)測(cè)圖。圖中的六條曲線是連續(xù)的方程N(yùn)－S方程（X/Y/Z）、湍動(dòng)能k方程，耗散能ε隨著迭代失代數(shù)的增加，方程的殘余值發(fā)生了變化。計(jì)算在約3000步時(shí)收斂。為了提高計(jì)算精度，計(jì)算很快再次收斂。

圖3 殘差收斂變化曲線

4.旁路循環(huán)工況

記錄的簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果：在旁路循環(huán)狀態(tài)下，流體流入消能室的能量損失約為7%，消能室的四級(jí)消能量損失約為17%（總計(jì)約為68%），從消能室流入閥體，然后通過(guò)噴嘴流出的能量損失約為25%。該計(jì)算結(jié)果是根據(jù)水力學(xué)理論將三通閥在旁路循環(huán)中的流道簡(jiǎn)化為一系列突縮和突擴(kuò)管。

進(jìn)行旁路循環(huán)CFD模擬圖4為旁路循環(huán)時(shí)三通閥內(nèi)流場(chǎng)的壓力云圖。根據(jù)簡(jiǎn)化流道模型中記錄的相應(yīng)點(diǎn)，在三通閥中測(cè)量相應(yīng)的壓力值，如表3所示。

圖4 旁路循環(huán)狀態(tài)閥內(nèi)流場(chǎng)壓力分布云

表3 消能計(jì)算對(duì)比分析

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從表中可以看出，模擬結(jié)果與三通閥的簡(jiǎn)化模型計(jì)算一致：多級(jí)串聯(lián)閥內(nèi)部通過(guò)逐步降壓消耗約70%的能量，避免了閥芯回流段的氣蝕損壞。模擬結(jié)果有效驗(yàn)證了簡(jiǎn)化計(jì)算的可靠性。目視檢查使用4年的閥芯回流段基本無(wú)損壞，進(jìn)一步證明了模擬結(jié)果的正確性。

當(dāng)三通閥處于旁路循環(huán)狀態(tài)時(shí)，壓差約為22MPa模擬回流流量為63m³/h，約占泵額定流量的31%，滿足泵的最小流量要求，計(jì)算回流量約為泵額定流量的45%，接近模擬值，滿足工程使用要求。

4.2.水力除焦工況

通過(guò)水力除焦作業(yè)CFD通過(guò)三通閥產(chǎn)生的介質(zhì)壓降為139036Pa，僅占作業(yè)壓差的0.6%。水力除焦作業(yè)是通過(guò)高壓泵泵出的高壓水流經(jīng)三通閥，沿管道到達(dá)噴嘴，高速水流切割除焦。壓力能盡可能轉(zhuǎn)化為高速水流的動(dòng)能，從而完成除焦作業(yè)。閥門壓降小，設(shè)計(jì)合理。

圖5顯示了三通閥局部速度矢量圖。從圖中可以看出，閥門密封面處的流體流量值相對(duì)較小，即密封面沖刷較輕，閥門設(shè)計(jì)更好地保護(hù)了密封面。

圖5

圖6是三通閥工作4年后拆下的閥芯部件。從圖中可以看出，閥門的密封面完好，密封面下部的節(jié)流孔被嚴(yán)重侵蝕。在閥門從旁路循環(huán)條件切換到水力除焦條件的過(guò)程中，這些節(jié)流孔有效地保護(hù)了密封面。

圖6 閥芯主密封面下游節(jié)流損壞

5結(jié)語(yǔ)

本文采用流體分析軟件模擬水力除焦三通閥回流狀態(tài)和供水狀態(tài)下的流域，驗(yàn)證了閥門流道簡(jiǎn)化模型計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果的一致性。MPa在壓差下進(jìn)行旁路循環(huán)時(shí)，三通閥保證高壓水泵最小流量不低于水泵額定流量的30%，多級(jí)串聯(lián)閥內(nèi)部通過(guò)逐步降壓消耗70%的能量，避免氣蝕；在水力除焦條件下，三通閥產(chǎn)生的壓降僅占水泵壓頭的0%.6%最大限度地滿足了將水泵壓能轉(zhuǎn)化為高速水流的動(dòng)能，以滿足除焦作業(yè)的需要，閥芯密封面下部節(jié)流孔的設(shè)置有效地保護(hù)了密封面。三通閥在惡劣條件下使用4年，閥內(nèi)部件完好；在不同條件下，三通閥的出口壓力和流量實(shí)際值與模擬值基本相同。