安全閥快速切換裝置及其流阻特性研究*

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(1.中國石油化工股份有限公司中原油田普光分公司，四川 達州 635000;2.北京航天石化技術裝備工程有限公司,北京 100176)

1 安全閥快速切換裝置介紹

安全閥作為一種自動閥門，是各類鍋爐、壓力容器和壓力管道等設備不可缺少的安全附件，起到超壓保護的作用，廣泛應用于石油、化工、電站等國民經濟各個部門。安全閥作為安全保障重要設備之一，行業對其使用與校驗有著明確、嚴格的規定。如何解決安全閥的定期校驗與生產設備的不間斷運行，實現生產效益最大化，是亟待解決的問題。

為滿足生產連續在線運行，一般采用兩臺安全閥同時在線運行的方式，分別在兩臺安全閥進口處安裝截止閥門，使其處于一備一用的狀態，截止閥也處于一關一開的狀態。此方式不但增加了管線設計的復雜性，同時也增加了人為失誤操作的可能，需增設相應的互鎖功能，從而帶來使用的不便與成本的增加。可采用在兩臺安全閥的進口處安裝三通切換閥的形式，通過三通切換閥的往復切換來實現安全閥的在線備份，其以一臺三通切換閥代替兩臺截止閥，結構簡單，成本低，不存在失誤操作的可能，可靠性高，在實踐中得到廣泛應用。

由于安全閥前端管路或截止、三通切換類閥門的流阻將直接降低安全閥的排放能力,為此《安全閥安全技術監察規程》、API RP 520-Ⅱ—2003《煉油廠壓力泄放裝置尺寸確定、選擇和安裝》 及 GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》中對于安全閥的進口在與截止閥連接時均提出了明確要求，當在安全閥的進口處連接截止閥門時，截止閥門的設計應使其最小流通面積等于或大于為那一管線所設計的安全閥的進口面積，以使安全閥進口不可恢復的壓力損失不超過整定壓力的3%，使兩臺安全閥均具備足夠的備份泄放能力，見圖1。目前有些制造廠的切換閥內部流道設計不合理，有的甚至直接以直管或者彎頭焊接而成，流阻損失較大，無法滿足具有足夠的備份泄放能力要求。

圖1 安全閥前截止類閥門

分析研究安全閥快速切換裝置的流通能力與流阻系數(兩者都是表征閥門流通能力的固有參數，流量系數越大，流阻越小其流通能力越強)，計算安全閥在線工作時快速切換裝置的壓力損失，從而確保三通切換閥壓力損失滿足用戶管線設計、安全閥在線正常運行。

該文通過對安全閥快速切換裝置進行流通能力、流阻系數的仿真與試驗論證，得到適合于切換閥流阻計算的仿真模型與試驗閥門的流通能力、流阻系數，并采用流通能力與壓力降相關的推導公式，得到閥門在具體工況下的壓力降值。

2 安全閥快速切換裝置流場計算

為了進一步研究安全閥快速切換裝置內部流動，下面利用Fluent軟件對閥門內部三維流場進行了數值仿真計算。

2.1 幾何模型及網格

切換閥內部流道結構示意圖見圖2。

圖2 切換閥內部流道結構

由于截止閥結構分為A和B兩個出口，在切換時左右流道有一定差異，因此對A和B出口分開建模研究各出口的流通能力。基于閥門的對稱性，同時為了減小計算量，選擇幾何模型的一半進行計算。流場仿真幾何模型見圖3和圖4。

圖3 A出口幾何結構

對以上的幾何結構用Gambit網格生成器生成網格，網格采用四面體結構，并在關鍵部位進行加密，以保證計算精度。幾何結構的計算單元數量都在24萬以上。網格情況見圖5和圖6。

圖4 B出口幾何結構

圖5 A出口網格

圖6 B出口網格

2.2 物理方程及模型選擇

介質在切換閥中的流動是不可壓縮的三維流動，對湍流的模擬采用Realizable k-e湍流模型。相應的連續性方程如下：

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

-pdivU+div(λgradT)+Φ+S

狀態方程：

p=ρRT；i=CvT

式中：ρ——密度，kg/m3;

t——時間，s;

U——速度，m/s;

ux——速度U的分量;

p——壓力，N;

μ——動力粘性系數，Pa·s;

fx——單位質量力在某方向的函數;

i——內能，J;

λ——傳熱系數，W/(m2·K);

T——絕對溫度，K；

Φ——耗散函數;

S——源項;

R——氣體常數，J/(kg·K);

Cv——定容比熱，J/(kg·K)。

2.3 介質屬性及邊界條件

仿真計算中介質為水，密度為998 kg/m3;黏度為1.853×10-2Pa·s;飽和蒸汽壓為3 610 Pa。

在邊界條件設置中，進口及出口截面分別設置成壓力進口和壓力出口，在計算域的邊界上，壓力滿足Neumann條件，壓力數值與試驗數值協調一致。湍流壁面上使用無滑移條件。在近壁區，由于雷諾數較小，為避免流動產生劇烈的速度梯度，在計算時采用了壁面函數法的修正方法。

2.4 流場計算與試驗結果分析

通過仿真模擬計算，可以得到切換閥內部的壓力分布情況。對稱面上的壓力分布云圖見圖7和圖8。

通過計算可以得到仿真模擬中的流量系數Cv，見表1。

表1 流場計算結果

注：1英寸=25.4 mm

圖7 A出口對稱面上壓力分布

圖8 B出口對稱面上壓力分布

3 安全閥快速切換裝置流通能力測試

安全閥快速切換裝置流通能力測試依據JB/T 5296—1991《通用閥門 流量系數和流阻系數的試驗方法》，其中對試驗系統與試驗程序、結果與計算有明確要求。試驗系統設置與試驗現場見圖9、圖10和圖11。

圖9 試驗系統

圖10 A出口Cv流通能力試驗

圖11 B出口Cv流通能力試驗

試驗測試包含1.5英寸、2.0英寸150 lb安全閥快速切換裝置，其試驗結果見圖12、圖13及表2。

圖12 1.5英寸切換閥試驗數據

圖13 2.0英寸切換閥試驗數據

通 徑 1.5英寸2.0英寸切換閥出口ABAB流量系數7168109102

與流場計算結果進行對比，結果見表3。

表3 流場計算與試驗結果對比

從表3可以看出，流場模擬計算結果較為準確，仿真結果與試驗結果偏差較小，試驗結果與仿真計算趨勢基本吻合。

4 結 論

通過CFD(計算流體力學)軟件數值模擬、建立了與切換閥相匹配的流場模型與計算方法，通過仿真計算得到表征閥門流通能力的參數，并通過對計算結果與試驗結果比較，確定了數值計算中建模、初始條件及邊界條件設計選取的合理性與正確性，很好地展示了模擬計算與試驗研究相結合的方法在閥門設計中的應用。

安全閥快速切換裝置流阻特性研究完善了相關學術領域，明確了切換閥壓力損失分析計算方法，提供了一套可操作、可借鑒分析的流場仿真案例，為切換閥相關流阻研究積累了寶貴經驗。