化工裝置工藝管路改造的計算機模擬分析

岳廣濤，曹建，尚宇(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

1 概述

某化工生產裝置配備有一個大容積氣體儲罐作為原料氣罐，工作介質為高純氫氣[1]，罐內氫氣壓力范圍為1.1 MPa至1.2 MPa(表壓)，工作溫度為常溫。原有工藝管路為一根DN40的不銹鋼管，將罐內高純氫氣連續輸送至該化工生產裝置的主反應系統，如圖1所示。

圖1 某化工生產裝置工藝管路示意圖

后期由于系統改造，在主反應系統之外又新增了一套輔助反應系統，輔助反應系統的氫氣供應仍借助于原有的DN40工藝管路。具體改造方案如下，在原有的DN40工藝管路上，選取合適位置加裝一個三通，通過三通支路使高純氫氣分流，同時輸送至主反應系統和輔助反應系統。根據工藝規程要求，主反應系統中的原料氫氣流量有最低限制條件，因此，在加裝三通及進行支路分流時，需要充分考慮到氫氣分流對主管路流量的影響，從而設計合適的管路改造方案[2-3]。

本文首先利用了比利時LMS公司的AMESim軟件進行了該裝置管路中氫氣流量的仿真計算[4]，隨后利用美國ANSYS公司的Fluent軟件進行了模擬驗證[5]，上述工作優化了管路改造方案，降低了施工過程中的風險成本，具有一定的參考價值。

2 AMESim仿真計算

AMESim軟件全稱為Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems，最早由1995年的法國Imagine公司推出，2007年被比利時LMS公司收購。作為一種服務于多學科領域的復雜系統建模仿真平臺，AMESim軟件可以建立復雜的多學科領域的系統模型，并在此基礎上進行仿真計算和深入分析，例如研究燃油流動、機械制動、氣體冷卻等元件或系統的穩態和動態性能。本研究選擇了AMESim軟件的7.0版開展后續研究工作。

圖2 AMESim軟件版本說明

首先利用AMESim軟件自帶的氣動模型(Pneumatic Model)搭建與圖1中工藝管路示意圖相匹配的模型圖，如圖3所示。圖3中的Gas Data作為氣體定義模塊，定義了一種作為全局變量的氣體，本文中為氫氣。

圖3 AMESim中工藝管路改造的模型圖

圖3中有3個容性元件，分別代表了氣體儲罐、主反應系統和輔助反應系統，分別設置了不同的壓力和溫度參數，確保管道內的氣體因壓力差而產生流動，其中主反應系統與輔助反應系統之間的壓差為0，氣體儲罐與主反應系統之間的壓差設置為0.005 MPa。圖3中還有3個阻性元件，用來模擬管路上截止閥的開閉狀態。圖3中的主管路管徑設置為40 mm，而三通處的支路管徑作為變量，分別取值為2 mm、4 mm、6 mm、……，直至40 mm，根據實際工作經驗，隨著支路管徑的增加，主管路的氫氣流量會受到影響，為了對主管路的氫氣流量變化情況進行量化評估，記錄了AMESim軟件仿真過程中主管路氫氣流動的穩態最大值，結果如表1所示。

由表1可知，隨著三通支路管徑的增加，主管路中的氫氣流量和流速均單調下降。同時，根據工藝裝置的安全要求，管路內氫氣流速的安全范圍為低于15 m/s[6]。如果選擇在主管路上安裝等徑三通，并且支路管徑也選擇為DN40的規格，最終氣體儲罐總排氣量可達到約844 Nm3/h，雖然比原工藝管路的輸氣量提高了約21%，但是主管路自身的氫氣流量下降了約40%，不符合主反應系統的運行限制條件。綜上，此次改造擬選用支路管徑為DN10的異徑三通，在保證支路中有一定氫氣流量的同時，使主管路自身的流量波動小于3%，最大限度地降低管路改造對主反應系統的影響。

3 Fluent模擬驗證

為了確保此次改造方案一次成功，不留二次施工的隱患，本文還利用Fluent軟件對改造三通處的氫氣流動情況進行了模擬驗證。首先利用面向CFD分析的前處理器GAMBIT軟件進行三通的簡化幾何建模和網格生成，如圖4所示，其中主管路通徑為40 mm，支路通徑為10 mm，建立了非等距的三角網格，尤其加密了支路處的網格，從而更加關注支路處的氫氣流動情況。

表1 三通支路與主管路中的氫氣流動情況

在求解過程中，選擇了Fluent軟件中的2維標準k-epsilon模型[7]，將流體類型設定為氫氣，隨后設置了網格圖的入流方向、出流方向和邊界條件等參數。求解過程如圖5所示，經過約430次迭代，殘差收斂，得到了三通內部氫氣流動的速度等值線圖，如圖6所示。

圖4 GAMBIT建立的三通簡化網格圖

圖5 Fluent軟件的迭代求解過程

圖6 三通內部氫氣流動的速度等值線

由圖6可知，雖然在主管路上增加了三通，但是由于主管路內氫氣整體流速較高，超過了12 m/s，因此，在三通支路之后的主管路內氫氣流量波動不大，不會對主反應系統造成不良影響，三通支路內氫氣流動雖然流場不均勻，但是流速較低，流量不大，該改造方案安全可行。

4 結語

目前，該化工生產裝置的工藝管路改造工作已經按照計劃方案完成，經實際運行檢驗，主管路改造前后的高純氫氣流量波動情況小于5%，三通支路的氫氣流動穩定，且流量大于50 Nm3/h，完全達到了改造工作的預期效果。

在改造工作實施之前，通過計算機軟件的模擬分析，能夠充分論證改造工作的可行性，提高工作效率，降低改造工作中的風險成本。經過現場實施，本研究具有較好的應用和推廣前景。