孫 晶,夏春文,王新昊,尚玉琳,王帥帥,王守真,王 帥,劉 新*

(1.大連理工大學 機械工程學院,遼寧 大連 116024;2.大連船用閥門有限公司,遼寧 大連 116023)

0 引 言

液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)被譽為最清潔的能源,無毒、無腐蝕性、燃燒后對環(huán)境污染很小,目前已在工業(yè)、生活中得到了廣泛應用。但我國本土LNG資源并不充足,無法滿足人民對其日益增長的需求,所以需要從其他國家大量進口LNG[1]。能源關系到國家的經(jīng)濟命脈以及民眾的生活保障,因此拓寬進口能源渠道、研發(fā)相關設備顯得尤為重要。

運輸LNG的專用船舶被稱為LNG運輸船,其可保持運輸LNG時溫度在-162.5 ℃以下,因而與航母共稱為世界造船業(yè)“皇冠上的明珠”。

在此類特種船舶研發(fā)生產(chǎn)中,超低溫閥門是一種極其關鍵的零部件,因其工作于超低溫環(huán)境,在生產(chǎn)使用中面臨結構變形大、閥體溫差大、易泄漏以及深冷處理工藝難度高等技術難題[2-3],不得不依賴國外進口。

因此,深入研究超低溫閥門的關鍵技術,對提高我國特種閥門技術儲備以及擺脫國外技術壟斷具有深遠影響。

受超低溫造成的熱應力以及介質壓力的作用,超低溫閥門在應用中經(jīng)常會發(fā)生外泄漏[4-5]。LNG的外泄漏易發(fā)生在閥門填料函處,這是因為LNG閥門填料函部位的溫度低于0 ℃,使得填料函逐漸結冰從而使彈性降低[6]。同時,超低溫閥門在啟閉過程中,閥桿與填料發(fā)生軸向運動及轉動,極易劃傷閥桿,甚至使填料函密封失效[7]。

近年來,研究人員對防止LNG閥門填料函處外泄漏開展了相關研究。例如,王樹美[8]采用有限元分析法,研究了滴液盤傾斜角度對換熱效率的影響。王曉濤等人[9]通過推導翅片導熱微分方程,得到了閥蓋長度的理論計算模型,研究了減少閥蓋長度的最佳方案。張紓琳等人[10]基于ANSYS,對滴水盤半徑、焊接位置等進行了研究,并提出了優(yōu)化方案。金滔等人[11]提出了在閥桿處添加絕熱層的方案,研究了該方法對填料函處溫度的改進效果。KAZEMINIA M等人[12]提出了一種填料函應力應變的分析模型,并利用試驗的方式,對該分析模型的有效性進行了驗證。

這些研究在仿真模擬超低溫閥門溫度分布時,一般采用以下兩種分析方法:1)先分析流體域的溫度,然后再將流體域溫度耦合到流-固接觸壁面[13];2)直接在閥體內壁與介質接觸部位施加流體域分析得到溫度場[14-17]。這兩種分析方式忽略了低溫介質吸收熱量發(fā)生相變后[18],所產(chǎn)生的低溫氣體與閥門之間的熱量傳遞。

針對上述問題,筆者研究LNG相變產(chǎn)生的低溫氣體對閥門溫度分布、填料函溫度的影響規(guī)律。

首先,采用數(shù)值理論分析,對影響閥門溫度變化的傳熱過程進行解釋,在此基礎上對閥門內部流體流動狀態(tài)進行仿真模擬,判斷絕熱狀態(tài)下閥蓋內部間隙是否會存在低溫氣體;隨后,分析存在熱量傳遞時,閥蓋內部流體物態(tài)的變化,研究LNG相變產(chǎn)生的低溫氣體在閥蓋內部間隙的流動狀態(tài);最后,采用流-熱耦合方式,分析LNG相變產(chǎn)生的低溫氣體對閥門溫度場的影響規(guī)律。

1 仿真模型及理論計算

有限元仿真常用于難以進行試驗或試驗成本過大的情況[19-21]。筆者使用ANSYS Fluent 2019 R2求解器進行模擬仿真,利用有限體積法將偏微分方程離散為代數(shù)方程組。筆者使用壓力速度耦合器作為求解器,并使用默認Simple方法。

超低溫閥門三維建模實物圖及流體域網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 超低溫閥門三維建模及流體域網(wǎng)格

圖1中,筆者采用四面體網(wǎng)格方法,細化尺寸較小區(qū)域。結果表明:網(wǎng)格偏斜率低于0.7。左右兩端分別為進出口,左側進口壓力為4 MPa,右側出口壓力為3.9 MPa。保冷層上區(qū)域均為對流換熱區(qū)域。初始狀態(tài)時,環(huán)境溫度為300 K,腔體內充滿空氣。入口介質為超低溫液態(tài)甲烷(LNG中甲烷含量超過95%,故選用甲烷),溫度為109 K。閥門表面對流換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)。

筆者采用CFD仿真模擬多相流的常用模型,包括流體體積模型(volume of fluid model,VOF)、混合模型(mixture model,MD)以及歐拉模型。

在LNG相變產(chǎn)生低溫氣體并涌入閥蓋內部空腔的過程中,低溫氣體吸熱、密度降低、氣體上升,其界面規(guī)律未知,低溫氣體還可能會與空氣混合。因此,采用完整的歐拉多相流模型行不通,其仿真結果難以收斂,可靠性較低。

經(jīng)簡化的MD求解過程與完整的多相流模型類似,而求解的變量比完整的多相流模型更少,在降低收斂難度的同時,能得到較為可信的仿真結果[22]。因此,筆者選用MD進行仿真模擬,并根據(jù)傳熱過程中的熱量傳遞以及能量守恒,得出溫度場計算方程。

1.1 混合模型

混合模型(MD)的連續(xù)性方程為[23]:

(1)

筆者對所有相的單個動量方程求和,得到混合物的動量方程如下:

(2)

式中:ρm為混合物密度,kg/m3;vm為質量平均速度,m/s;αk為第k相的體積分數(shù);μm為混合黏性系數(shù),Pa·s;F為體積力,N;vdr,k為第k相的漂移速度,m/s。

1.2 傳熱模型理論計算

閥蓋傳熱模型及熱量流動如圖2所示。

圖2 閥蓋傳熱模型及熱量流動

圖2中,超低溫閥門的換熱過程主要包括閥蓋底部流體、閥蓋內部間隙氣體、外界空氣對閥門的對流換熱等。筆者分別對3種換熱過程建立數(shù)學模型,采用數(shù)學模型分析熱量傳遞規(guī)律,研究閥蓋上某一單元的溫度變化,從而得到閥門整體的溫度變化規(guī)律。

在閥蓋底部,低溫介質會與閥蓋發(fā)生持續(xù)對流換熱,閥蓋將熱量傳遞給低溫介質,溫度不斷降低。

在不考慮接觸熱阻的情況下,該模型求解的控制方程與邊界條件為[24-25]:

(3)

式中:ρ為微元體的密度,kg/m3;c為微元體的比熱容,J/(kg·K);λ為閥蓋的導熱系數(shù),W/(m·K)。

此時,在x處截面的熱流密度為:

(4)

因此,受LNG影響,在x處微元體傳遞的冷量為:

(5)

在長頸閥蓋內部間隙底部,低溫氣體與閥蓋發(fā)生對流換熱,存在熱量傳遞,該過程涉及微元體外流體熱力學能的增量,以及單位時間內流體的流動帶出微元體的凈熱量。

該過程可用數(shù)學方程描述為:

(6)

長頸閥蓋與空氣之間的對流換熱與上述過程同理,可表示為:

(7)

因此,微元體的熱量總量為:

φ=φ2-φ0-φ1

(8)

所以,可解出每處微元體的溫度為:

(9)

2 仿真模擬及結果分析

此處筆者以所建立的仿真模型及理論計算為基礎,進行分析。

首先,在常溫、絕熱狀態(tài)的情況下,筆者分析閥門內部流體流動狀態(tài);隨后,根據(jù)分析得到的閥門內部流體狀態(tài),判斷超低溫閥門內LNG及低溫氣體的流動區(qū)域;最后,研究閥蓋間隙進口兩側壓強不平衡情況下,LNG相變產(chǎn)生的低溫氣體對閥門溫度場的影響。

2.1 絕熱狀態(tài)下流體域仿真分析

在絕熱狀態(tài)下,流體域的壓力分布、流線分布以及閥蓋內空腔截面壓力分布狀況如圖3所示。

圖3 流體域分析

由圖3(a)可知:當流體經(jīng)過截止閥時,從進口到出口壓力逐漸減小,其中閥芯區(qū)域內壓降較為明顯。同時,可以明顯看到,閥體內部出現(xiàn)多處漩渦及回流區(qū)域,這是造成部分區(qū)域壓力降低以及壓力分布不均的直接原因。

圖3(b)為截止閥開啟時中間截面的流線圖,流線的分布反映了閥門內部流體的流動狀態(tài)。

由流體力學連續(xù)性方程可知:在等效通流面積減小時,流體流速上升,故流體進入閥芯時流速會有顯著提高;而在垂直流道處,流體速度上升、重力勢能增大,因此壓力能降低。在流體閥芯區(qū)域的頂部,閥芯與閥體之間的等效通流面積再次縮小,所以速度會進一步提高(該類截止閥內部流體最大速度多出現(xiàn)在此處);此后,高速流體受閥體阻力影響,根據(jù)伯努利方程,動能轉變?yōu)閴毫δ芤约皠菽?速度降低。

由圖3(a)和圖3(b)可知:流線速度較高區(qū)域對應的壓力較低,所以其分析結果較為合理。

由圖3(c)可知:當流體壓入閥蓋內部間隙中時,閥蓋底部截面壓力處處相等,大小為3.9 MPa。

該結果可以為筆者分析閥蓋內部流體狀態(tài)提供邊界條件。

2.2 閥蓋內部流體狀態(tài)分析

對上述絕熱狀態(tài)下的流體域流場進行分析可知:在未發(fā)生熱量傳遞時,會有流體涌入長頸閥蓋腔體內。但在超低溫閥門實際工作時,熱量會不可避免地傳遞到低溫介質內,導致低溫介質發(fā)生汽化。

因此,此處筆者對閥蓋內部間隙流體域進行分析,以探究內部低溫介質物態(tài)的變化規(guī)律。

筆者模擬實際環(huán)境,對閥門頸部保冷層以上外壁面設置對流換熱,其中,換熱系數(shù)為20 W/(m2·K),內壁面默認為環(huán)境溫度,且不參與對流換熱,環(huán)境溫度為300 K,入口壓力設置為3.9 MPa。

由于氣液體積比太大,為清楚觀察腔內物態(tài)變化過程,需降低腔內初始氣體在空腔內占比,故須將初始液面設定為管道高度的二分之一。此種設定僅意味著發(fā)生相變的時間向后推遲,對達到穩(wěn)態(tài)之后的結果不會產(chǎn)生影響,只有中間相變過程不同。

閥蓋內部流體的質量流量、體積流量變化曲線如圖4所示。

圖4 質量流量、體積流量隨時間變化

由圖4可知:初始狀態(tài)下,腔內壓力小于進口液體壓力,會有液體被壓入腔內,造成腔內液面進一步升高。由于壁面與外界環(huán)境對流換熱,腔內LNG逐漸吸收熱量,當LNG發(fā)生汽化時,腔內壓強急劇增大,逐漸將腔內液體全部排出;而此時腔內仍有較多氣體,會隨著時間的推移排出腔內氣體;最終,質量流量、體積流量變化曲線都趨近于0,可以認為腔內無LNG殘留,此時腔內、腔外壓強穩(wěn)定。

2.3 低溫氣體對閥體溫度影響

分析2.2節(jié)的閥蓋內部流體狀態(tài)可知,超低溫閥門工作時吸收熱量,LNG會發(fā)生汽化,導致腔內壓強急劇增加,最終腔內僅存在低溫氣體,無LNG殘留。

在此基礎上,筆者將首先分析低溫氣體在閥蓋內間隙的流場分布;隨后,分析低溫氣體對閥體溫度的影響。

2.3.1 不同左右進口壓力下的分析

不同壓差下,氣液兩相分布及單CH4相高度分布如圖5所示。

圖5 不同壓差下氣液兩相分布及單CH4相高度

圖5(a)中,為簡化計算資源,加快計算速度,筆者將底部進口的4個圓柱優(yōu)化為底部1圈圓柱。在分析閥蓋內部空腔圓柱入口時,未考慮相變產(chǎn)生的壓力波動;圖5(c)中,在定位螺母底部,受流體域流體速度不均勻以及汽化產(chǎn)生氣體的影響,閥體頂部流體域壓強并不均勻。為研究壓差對分析結果的影響,筆者設置右側入口壓強略高于左側入口壓強,固定右側入口壓強為4 MPa;改變左側入口壓強,分析不同壓差下最終的CH4流線分布。

根據(jù)常溫狀態(tài)下閥內流體域壓力分布圖可知,在正常工作時,長頸閥蓋底部的流體壓強差距并不大。因此,筆者將壓差設置為0.05 MPa、0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa,分析不同壓差下最終的CH4與空氣體積分布。

圖5(b)中,在相同的時間分析步下,壓差對單CH4相高度的影響較小。

2.3.2 腔內流場狀態(tài)分析

由上述分析可知:壓差對仿真結果無明顯影響。在后續(xù)仿真中,筆者將左右兩側入口壓力分別設置為3.9 MPa、4 MPa。

在實際工作中,由于閥門壓強難以穩(wěn)定,瞬態(tài)變化并不恒定,故筆者在仿真中未對入口邊界條件、達到穩(wěn)態(tài)的時間做過多限制。筆者主要目的在于對達到穩(wěn)態(tài)后的閥門腔內溫度場進行分析。

壓差為0.1 MPa下,單CH4相高度隨時間變化曲線如圖6所示。

圖6 單CH4相高度隨時間變化曲線

在閥門開啟后,LNG吸熱后汽化產(chǎn)生天然氣(boil-off-gas,BOG)。在閥體內部壓力作用下,BOG會迅速涌入長頸閥蓋與閥桿間的空腔內。

由圖6可知:在-162.5 ℃下,BOG的密度略大于空氣,受兩側不等的入口壓力及重力影響,BOG會不斷波動、上升,最終在腔內外壓強相等時不再升高,并在此處不斷波動;同時,CH4開始與上方空氣擴散混合。

CH4流線分布及閥蓋內部空腔溫度場如圖7所示。

圖7 閥蓋內部CH4相分布及溫度場

圖7(a)中,流體流線全都聚集在CH4單一相所在的底部區(qū)域。這說明低溫氣體雖然會在高壓作用下涌入腔內,但由于進口兩側壓力并不相等,在腔內、外壓強一致時,流體會從壓強較高的一側流入,并從壓強較低的一側流出。

圖7(b)顯示了低溫BOG對閥蓋內部空腔溫度場的影響,這種持續(xù)流動的低溫氣體會不斷與閥蓋發(fā)生對流換熱,并對其進行降溫。

2.3.3 閥門溫度場分析

目前,在已有的研究文獻中,在對閥門溫度場進行分析時,僅考慮了低溫介質對閥體接觸對流換熱降溫,忽略了相變產(chǎn)生的低溫BOG對閥蓋閥桿的降溫作用。

未考慮BOG及考慮BOG時,閥門溫度場的分布如圖8所示。

圖8 閥門溫度場分布

由圖8可知:在考慮低溫BOG時,溫度最低點的高度會比未考慮BOG時高,且高度為閥蓋間隙內單CH4相的高度。

為具體量化低溫BOG對閥體溫度場的影響,需要分析閥蓋底部法蘭盤頂端至填料函頂部這一段的閥桿溫度變化狀況。在實際工作中,閥桿與填料函保持密切接觸,故分析閥桿與填料函接觸部分的溫度變化,就可以得到低溫氣體對填料函溫度的影響規(guī)律。

閥桿路徑上的溫度變化曲線如圖9所示。

圖9 閥桿路徑上的溫度變化

在未考慮BOG的情況下,填料函底部溫度可達10.6 ℃,而考慮BOG時溫度僅為-0.2 ℃。由此可見,在不考慮低溫BOG流動情況下,設計長頸閥蓋長度時,實際填料函底部溫度會比設計值低一些,這將造成安全隱患,易導致生產(chǎn)的低溫閥門在工作時,填料函底部溫度低于0 ℃,填料函處發(fā)生泄漏。

因此,研究LNG相變產(chǎn)生的BOG對填料函底部溫度場的影響具有重要意義。

3 結束語

深入研究超低溫閥門的關鍵技術,對提高我國特種閥門技術具有深遠影響。在仿真模擬超低溫閥門溫度分布時,采用的分析方式忽略了低溫介質吸收熱量發(fā)生相變后,所產(chǎn)生的低溫氣體與閥門之間的熱量傳遞。

為此,基于傳熱學相關理論,筆者推導了閥門內部傳熱微分方程,運用有限元仿真軟件,模擬了閥門內部流體流動狀態(tài),并探究了LNG相變產(chǎn)生的低溫氣體對閥門溫度場的影響規(guī)律。

研究結果表明:

1)在超低溫閥的工作過程中,LNG僅在閥體內部流動。由LNG閃蒸及汽化產(chǎn)生的低溫氣體會在閥蓋內部的空腔底部流動,空腔上部則充斥著天然氣與空氣的混合氣體;

2)閥蓋間隙內的低溫氣體升高到腔內外壓強相等時不再上升,此時腔內壓強處處相等,數(shù)值在兩側入口壓強之間。流動的低溫氣體不斷與閥蓋、閥桿對流換熱,對其進行降溫;

3)在未考慮BOG時,填料函底部溫度可達10.6 ℃,考慮BOG時,溫度卻僅為-0.2 ℃。因此,在設計低溫閥長頸閥蓋長度時,需考慮LNG相變后產(chǎn)生的低溫氣體對溫度場分布的影響,以更好防止因填料函結冰而發(fā)生的泄漏。

在后續(xù)的研究中,筆者將在準確分析閥門溫度場的基礎上,探究法蘭盤處密封性能,并提出優(yōu)化方案,以解決此類特種閥門啟閉扭矩過大等的問題;同時,基于上述的設計理論,筆者將繼續(xù)與相關企業(yè)進行合作,研發(fā)出不同型號的閥門,以便驗證上述的仿真結果。