LNG加氣站低溫截止閥內部流場數值模擬研究

楊建坤

(中海油能源發展裝備技術有限公司 天津 300457)

0 引 言

在流體輸送過程中，為改變輸送流量或是應對緊急突發狀況，需調整或切斷流體在管道內的流動，以滿足工藝要求并保障設備安全。因此，常在關鍵管線上設置截止閥。

LNG加氣站常用的低溫截止閥如圖 1所示，該截止閥主要由旋轉手輪、閥桿、閥瓣以及殼體組成。閥瓣沿閥座中心線上下移動，使用時，通過旋轉手輪，控制閥桿壓力，完成閥瓣的開啟與閉合，達到控制流量的作用；當閥瓣完全閉合時，閥瓣密封面與閥座密封面緊密貼合(密封面呈平面或錐面)，阻止介質流通。

圖1 截止閥DN65Fig.1 Globe valve DN65

1 閥門三維模型的建立

在 LNG管道中，由于液化天然氣在管道內的溫度較低(-162,℃)，對閥門材料有較高的要求。目前，截止閥的制造標準以 JB/T 2203—1999《截止閥結構長度》為主，但此標準規格不全，導致各廠家生產的截止閥規格也不同。本管線中采用國內某公司生產的DJ 41F-40P 低溫長軸截止閥，其基本參數如表1所示，其閥門尺寸示意圖如圖2所示，基本尺寸如表2所示。

表1 DJ41F-40P低溫長軸截止閥基本參數表Tab.1 Basic parameters of the low temperature long axis globe valve(DJ41F-40P)

由于截止閥流道比較復雜，有些研究者對內部流道進行了相應簡化，簡化模型如圖3所示。

表2 DJ41F-40P低溫長軸截止閥基本尺寸表Tab.2 Basic size of the low temperature long axis globe valve(DJ41F-40P)

圖2 DJ41F-40P閥門尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the size of DJ41F-40P globe valve

圖3 截止閥流道簡化模型圖Fig.3 Simplified model diagram of the globe valve’s ports

為了使對截止閥內部流場的研究切合工程實際，保證計算結果的準確性，本文對 DJ41F-40P截止閥中間截面流道進行了實際測繪，根據測繪結果繪制出截止閥流道中間截面各位置的具體參數，如圖4所示。

圖4 DJ41F-40P流道中間截面具體參數圖Fig.4 Midsection parameters of the DJ41F-40P globe valve’s flow channel

根據中間流道的測繪參數，使用 SolidWorks軟件繪制截止閥內部流道三維模型。

流道建模過程如下：①將流道分為進口流道(從進口到閥瓣與閥體密封面處)、閥瓣空間及出口流道以上 3部分，分別建模，確定建模基準面；②在基準面上繪制流道草圖，采用放樣、旋轉等命令，分別完成以上3部分的建模；③對進口流道、閥瓣空間和出口流道的模型采用組合命令，使這 3部分模型成為一體。

根據以上步驟，建立截止閥流道三維模型，實體模型如圖5所示，流道中間截面(閥瓣全開狀態)如圖6所示。

圖5 截止閥流道實體模型Fig.5 Physical model of the globe valve’s flow channel

圖6 截止閥流道中間截面圖(閥瓣全開狀態)Fig.6 Midsection of the globe valve’s flow channel (with disc in full open position)

2 內部流場數值模擬研究

①邊界條件設置：速度進口2,m/s，自由出流，溫度110,K。②交界面設置：整體模型是多實體的組合，設置交界面為Interface類型，創建交界面匹配。③物質：液態天然氣物質屬性。④其他：VOF模型，操作壓力0.4,MPa，重力加速度沿Y軸負向(即重力向下)。

待流動充分發展，得到截止閥內部流場壓力(表壓)如圖7所示，截止閥內部中間截面流如圖8所示。

圖7 截止閥內部流場壓力(表壓)圖Fig.7 Interior flow field pressure(gauge pressure)of the globe valve

由圖7可以看出，進口流道整體壓降在1,000,Pa以內，壓降較小；經過閥瓣空間進入出口流道后，流體壓降顯著增大，表面的局部區域壓降達到 12,000,Pa(約 2.89,m)，這是因為在此流動過程中，流體要在有限且不規則的空間內完成兩次 90,°轉向，并與閥瓣和閥體內壁面激烈碰撞，導致壓力損失突增。

圖8 截止閥內部中間截面流線圖Fig.8 Flow pattern of internal midsection of the globe valve

從圖 8可以看出，流體從入口流道進入上部流道過程中，大部分流體在閥瓣右側流入出口流道，小部分進入閥瓣左側空間。中間截面流線圖中，閥瓣左側的閥體空間存在明顯的渦旋，且流線很少通過此區域，此區域內流體的更新較慢，即死水區(死水區內的流態特點為存在明顯的漩渦)。此外，流體進入出口通道后，由于出口通道的進口管徑較小，流進出口流道的流體存在噴管現象，即液體以較高的速度射入出口流道內，導致部分區域出現低壓，尤其在流體轉向作用明顯的區域，此現象更為明顯。在出口流道底部的中間區域，由于液體流量較小、壓力較低，且出口流道出口處壓力變大，因此出現部分回流現象，導致出口流道底部的中間區域出現漩渦。

3 結 語

本文以 LNG加氣站用 DN65截止閥為例，利用SolidWorks軟件對其進行三維建模，并使用 Fluent軟件對其內部的流場進行數值模擬研究，得到了截止閥內部流場壓力場變化及流體在閥門內部的流向分布，該分析結果為 LNG的管路特性分析研究、LNG加氣站潛液泵的選型和LNG加氣站的管路布局優化提供了理論依據。■

［1］萊昂斯.閥門技術手冊[M].北京：機械工業出版社，1991.

［2］楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

［3］韓占忠.流體工程仿真計算[M].北京：北京理工大學，2005.