基于ANSYS的低溫閥填料函溫度場分析

張紓琳，陳晨銘，段化銀，余曉明

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

我國近年來大力推動清潔能源的發展，對天然氣的需求不斷增加。2018 年，我國天然氣的消費量已經超過了2 800 億立方米，進口液化天然氣5 300多萬噸[1]。并且隨著我國對天然氣需求的持續增長，我國的天然氣基礎設施也在不斷完善，用以提高液化天然氣的接收能力[2]。低溫閥門主要用于石油化工、液化天然氣及液氮液氧等裝置。由于液化天然氣的主要成分為烷烴，一旦發生泄漏，會增加火災和爆炸等事故發生的幾率[3-4]，所以低溫閥門對密封性、安全性的要求非常高。

低溫閥門一般都有長頸閥蓋，可以使其在溫度很低的工況下安全穩定地運行[5]。長頸閥蓋結構的目的在于保護填料函，通過抬高填料函的位置，提高填料函處的溫度分布，防止填料表面結露結冰，即高于低溫閥門所在環境的露點溫度。一旦填料結冰，就會降低填料的密封性能，容易導致低溫介質的滲漏。當閥桿上下移動時，結的冰也會劃傷填料，造成更加嚴重的泄漏[6-7]。另外，低溫閥門在夏季運行時，需要包裹一層保冷材料來減少冷量的損失，而長頸閥蓋的結構有利于添加更厚的保冷層，加強保冷性能。

1 低溫閥門模型

BS 6364 規定了低溫閥門中長頸閥蓋加長部分的最短長度，本文采用的低溫閥門為DN 50 低溫球閥，為非冷箱用，閥芯的工作轉角為90°，要求閥蓋最短長度為250 mm[8]，故設計閥蓋的初始長度為251 mm。

1.1 建立物理模型

采用ProE 建立閥門的裝配體模型，由于模型存在對稱結構，為了提高效率，可將模型簡化處理為實體模型的1/2，如圖1 所示。

圖1 低溫球閥模型Fig.1 Model of cryogenic ball valve

1.2 物性參數及邊界條件設置

（1）定義材料的物性參數：低溫球閥的主要部件采用F316 不銹鋼，軸承、支架等采用F304 不銹鋼，填料采用兩種不同的材料，聚四氟乙烯（PTFE）和柔性石墨。低溫閥門各部件的導熱系數見表1。

表1 低溫球閥各部件導熱系數 [9]Table 1 Thermal conductivity of each component of cryogenic ball valve

（2）施加載荷與約束：由于模擬的是閥門在穩態后的溫度分布，而液化天然氣處于大氣壓時的溫度為-162 ℃，因此設置閥體的內表面溫度為-162 ℃，包括閥體內壁、閥座、閥瓣等。

低溫閥門外表面與空氣進行對流換熱，空氣的對流換熱系數設為12 W/ （m2·K），與環境進行輻射換熱，Stenfan-Bolzman 常數為5.67×10-8[10]，設置不銹鋼的輻射率為0.048，對稱面設置為絕熱邊界條件。設置低溫球閥的開度處于全開狀態。

2 填料函溫度分布

低溫閥門處于穩態時，閥體內表面與低溫介質的溫度相同，即-162 ℃。由于冷量從閥門的下部往上部傳遞，故閥門中相對較長的閥桿和閥蓋都存在一定的溫度梯度；支架等部件遠離低溫介質，而且和環境的接觸面比較多，所以其溫度都基本保持在0 ℃以 上。

在環境溫度在-30 ℃～10 ℃時，低溫球閥填料函的最低溫度與環境溫度呈線性關系，即環境溫度決定著低溫球閥填料函的最低溫度，如圖2 所示，而環境溫度與相對濕度決定了環境的露點溫度。當填料函的最低溫度低于露點溫度時，就會發生結露現象，如果此時填料函的最低溫度低于0℃就會結冰。如圖3、4 所示為環境溫度分別為-30 ℃和10 ℃時相對濕度5% ～ 70%的露點溫度與填料函最低溫度的關系。

3 環境工況對閥蓋長度的影響

為避免低溫球閥的填料函部位發生結露結冰現象，可以通過增加閥蓋加長部分的長度來提高填料函的溫度。通過對比環境的露點溫度和填料函的最低溫度，可以得到閥蓋最短長度。低溫球閥模型的閥蓋最短長度取為251 mm，在閥蓋最短長度的基礎上，每組增加10 mm，直到371 mm，一共進行13 組模擬實驗。

圖2 不同環境溫度下填料函的最低溫度Fig.2 Minimum temperature of the stuffing box at different ambient temperatures

圖3 環境溫度為-30 ℃時露點溫度與填料函最低溫度的關系Fig.3 Relationship between dew point temperature and lowest temperature of stuffing box when ambient temperature is -30 ℃

圖4 環境溫度為10 ℃時露點溫度與填料函最低溫度 的關系Fig.4 Relationship between dew point temperature and lowest temperature of stuffing box when ambient temperature is 10 ℃

3.1 濕球溫度對閥蓋長度的影響

干球溫度不變，對比不同相對濕度時露點溫度與低溫球閥填料函處的最低溫度，確定不同相對濕度時所需的最短閥蓋長度，如圖5 所示。相對濕度在30%以下時，長頸閥蓋取最短長度251 mm 即可；在相對濕度為30%以上時，隨著相對濕度的增加，所需閥蓋長度增加；在相對濕度達到70%時，長頸閥蓋長度至少需要371 mm。

圖5 最短閥蓋長度隨相對濕度變化曲線Fig.5 Variation curve of minimum length of bonnets with relative humidity

3.2 環境溫度對閥蓋長度的影響

在環境的相對濕度為65%的情況下，長頸閥蓋所需的最短長度與干球溫度的關系如圖6 所示。環境溫度在0 ℃以下時，閥蓋的最短長度為351 mm 時才能滿足填料函不結冰的要求；環境溫度在0 ℃以上時，隨著溫度的升高，閥蓋所需的最短長度減小。當環境溫度與填料函溫度都處于0 ℃以上時，即使填料函處的溫度比環境的露點溫度低，出現結露的情況，但因為沒有低于冰點溫度，所以不會結冰。故環境溫度在0 ℃以上時，干球溫度對閥蓋所需的最短長度的影響比較明顯。

3.3 不同地區閥蓋所需的最短長度

模擬環境溫度-30 ～10 ℃，相對濕度20%～ 70%時，長頸閥蓋所需的最短長度如表2 所示。由表2可見，相對濕度越高，長頸閥蓋所需的設計長度越大，對于填料函部位出現結冰現象的影響比環境溫度更 大。

根據全國不同地區的氣象數據，結合表2，得出不同地區低溫球閥長頸閥蓋所需的最短長度，如表3所示。

圖6 最短閥蓋長度隨環境溫度變化曲線Fig.6 Variation curve of minimum length of bonnets with ambient temperature

表2 不同環境溫度、相對濕度下的閥蓋所需的最短長度Table 2 Minimum length required for bonnets at different ambient temperatures and relative humidity mm

表3 閥蓋最短長度的適用地區Table 3 Applicable areas for the shortest length of bonnets

由表2 和表3 可以看出，在鄰近地區，低溫球閥可以適用的閥蓋長度基本相同，但由于氣候條件的復雜性和多變性，個別地區的氣候條件與鄰近區域有明顯差異，需要分別進行分析。區域分布最集中的閥蓋長度標準為371 mm 最高標準，東北大部分地區，比如黑龍江和吉林，部分西北地區，以及貴州、湖南、江蘇、福建、云南等都只有在此長度才能避免結冰，其原因各不相同，華東和華中地區是由于氣候潮濕，容易結露，導致結冰；而東北地區是由于氣候寒冷、冬季漫長，但空氣并非十分干燥。除了東北地區以外，其他地區是由于氣候潮濕，容易結露，由于結冰持續時間短，對實際生產的影響可以忽略不計。為了降低成本，這些地區的閥蓋長度可以根據實際情況適當取短一些。

4 滴水盤對填料函溫度分布的影響

4.1 滴水盤直徑對填料函溫度分布的影響

在低溫閥門上增設滴水盤，可以提高填料函的溫度分布。設置環境溫度為2 ℃，長頸閥蓋長度為251 mm，滴水盤直徑為76 mm，滴水盤到法蘭盤的距離為120 mm，如圖7 所示。從圖9 中提取2 至1的填料函溫度分布繪制成圖10，即低溫球閥填料函各位置在不同滴水盤直徑時的溫度分布。增加滴水盤的直徑，每次增加10 mm，并且建立相應的幾何模型，導入ANSYS 中進行模擬。

圖7 滴水盤焊接位置Fig.7 Welding position of the drip tray

圖8 低溫球閥溫度分布Fig.8 Temperature distribution of cryogenic ball valve

圖9 低溫球閥填料函溫度分布Fig.9 Temperature distribution of fillers in cryogenic ball valve

圖10、11 為低溫球閥填料函的溫度與滴水盤直徑的關系。由圖10 可知，在滴水盤直徑為76 mm 的情況下，填料函的溫度分布比沒有設置滴水盤時明顯提高。

圖10 填料函的溫度與滴水盤直徑的關系Fig.10 Relationship between the temperature of the filling letter and the diameter of the drip tray

隨著滴水盤直徑的增加，低溫球閥填料函的溫度分布逐步增加，然而增加的幅度則越來越小。低溫球閥與環境的熱交換量隨著滴水盤直徑的增加而增加，導致閥體經導熱向低溫球閥上部傳遞的冷量隨之減小，填料函的溫度得以提高，然而當滴水盤直徑達到某個數值后，隨著滴水盤直徑的增加，低溫球閥的滴水盤與環境之間的換熱量的增加量逐漸減小。這是由于隨著滴水盤直徑的增加，滴水盤徑向表面的溫度逐步趨近于環境溫度，與環境之間的溫差逐漸減小，即對流換熱量的增量逐漸變小，故低溫球閥填料函的最低溫度將會趨于某一個數值。

4.2 滴水盤焊接位置對填料函溫度場分布的影響

圖11 填料函的最低溫度與滴水盤直徑的關系Fig.11 Relationship between minimum temperature of filling letter and diameter of drip tray

由低溫球閥滴水盤直徑的模擬結果可知，當滴水盤的直徑在216 mm 左右時，滴水盤直徑繼續增加后，填料函處的溫度場變化不明顯。所以在模擬球閥滴水盤不同焊接位置的低溫閥溫度場時，設置滴水盤的直徑為216 mm。改變滴水盤與法蘭盤的距離，得出滴水盤在閥桿的不同位置時填料函的溫度分布。

圖12 所示為低溫球閥閥蓋外軸線的溫度場分布圖，從2 至1 點處提取閥蓋外軸線的溫度，如圖13所示，圖中拐點處就是滴水盤的位置。從圖13 可以看出，閥蓋與空氣的對流換熱效果隨著滴水盤到法蘭盤距離的提高而增加。

圖12 閥蓋外軸線溫度場Fig.12 Temperature field of outer axis of valve cover

從圖14 可見，隨著滴水盤與法蘭盤距離的增大，填料函的最低溫度先升高后降低，當滴水盤的位置距離法蘭盤為120 mm 左右時，閥門與空氣的對流換熱效果最強。當滴水盤距離法蘭盤30 mm 時，隨著滴水盤距離的增加，填料函的最低溫度隨之升高，當滴水盤距離增加至120 mm 左右時，填料函的最低溫度最高，當滴水盤距離繼續增加時，填料函的最低溫度開始降低。

6 結論

圖13 閥蓋外軸線的溫度隨滴水盤位置變化曲線Fig.13 Temperature of the outer axis of the bonnet versus the position of the drip tray

圖14 填料函最低溫度隨滴水盤位置變化曲線Fig.14 Variation of minimum temperature of filling function with position of drip tray

本文采用DN 50 低溫球閥， 模擬環境溫度-30 ～10 ℃，相對濕度20%～70%，不同長頸閥蓋長度的閥門溫度分布。分析不同環境工況下，滿足填料函不結冰要求的長頸閥蓋所需的長度。相對濕度越高，長頸閥蓋所需的長度越大；環境溫度在0 ℃以上時，干球溫度對閥蓋所需的最短長度的影響比較明顯。結合全國不同地區的氣象條件，分析各地DN 50低溫球閥的長頸閥蓋的合理長度，可以為不同地區閥蓋長度的選擇范圍提供參考。由于模擬的各組長頸閥蓋長度相差10 mm，所以計算結果與實際所需長度存在一定的誤差。

在低溫閥門的閥蓋中間設置滴水盤可以提高填料函處的溫度場分布，閥桿軸線的溫度隨著滴水盤直徑的增加而逐漸升高，但是溫度升高的幅度越來越小。隨著滴水盤位置的提高，填料函處的溫度場分布先升高后降低。從經濟方面考慮，本文研究的低溫球閥DN 50 可以在閥蓋外表面上焊接一個直徑為216 mm 的滴水盤，位于法蘭盤上方120 mm 左右，用以提高低溫球閥填料函的溫度場。