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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024;2.大連船用閥門(mén)有限公司,遼寧 大連 116023)

0 引 言

液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)被譽(yù)為最清潔的能源,無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、燃燒后對(duì)環(huán)境污染很小,目前已在工業(yè)、生活中得到了廣泛應(yīng)用。但我國(guó)本土LNG資源并不充足,無(wú)法滿足人民對(duì)其日益增長(zhǎng)的需求,所以需要從其他國(guó)家大量進(jìn)口LNG[1]。能源關(guān)系到國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈以及民眾的生活保障,因此拓寬進(jìn)口能源渠道、研發(fā)相關(guān)設(shè)備顯得尤為重要。

運(yùn)輸LNG的專用船舶被稱為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船,其可保持運(yùn)輸LNG時(shí)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(mén)是一種極其關(guān)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(jié)構(gòu)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(shù)難題[2-3],不得不依賴國(guó)外進(jìn)口。

因此,深入研究超低溫閥門(mén)的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)提高我國(guó)特種閥門(mén)技術(shù)儲(chǔ)備以及擺脫國(guó)外技術(shù)壟斷具有深遠(yuǎn)影響。

受超低溫造成的熱應(yīng)力以及介質(zhì)壓力的作用,超低溫閥門(mén)在應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)發(fā)生外泄漏[4-5]。LNG的外泄漏易發(fā)生在閥門(mén)填料函處,這是因?yàn)長(zhǎng)NG閥門(mén)填料函部位的溫度低于0 ℃,使得填料函逐漸結(jié)冰從而使彈性降低[6]。同時(shí),超低溫閥門(mén)在啟閉過(guò)程中,閥桿與填料發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng),極易劃傷閥桿,甚至使填料函密封失效[7]。

近年來(lái),研究人員對(duì)防止LNG閥門(mén)填料函處外泄漏開(kāi)展了相關(guān)研究。例如,王樹(shù)美[8]采用有限元分析法,研究了滴液盤(pán)傾斜角度對(duì)換熱效率的影響。王曉濤等人[9]通過(guò)推導(dǎo)翅片導(dǎo)熱微分方程,得到了閥蓋長(zhǎng)度的理論計(jì)算模型,研究了減少閥蓋長(zhǎng)度的最佳方案。張紓琳等人[10]基于ANSYS,對(duì)滴水盤(pán)半徑、焊接位置等進(jìn)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(duì)填料函處溫度的改進(jìn)效果。KAZEMINIA M等人[12]提出了一種填料函應(yīng)力應(yīng)變的分析模型,并利用試驗(yàn)的方式,對(duì)該分析模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

這些研究在仿真模擬超低溫閥門(mén)溫度分布時(shí),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(nèi)壁與介質(zhì)接觸部位施加流體域分析得到溫度場(chǎng)[14-17]。這兩種分析方式忽略了低溫介質(zhì)吸收熱量發(fā)生相變后[18],所產(chǎn)生的低溫氣體與閥門(mén)之間的熱量傳遞。

針對(duì)上述問(wèn)題,筆者研究LNG相變產(chǎn)生的低溫氣體對(duì)閥門(mén)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(duì)影響閥門(mén)溫度變化的傳熱過(guò)程進(jìn)行解釋,在此基礎(chǔ)上對(duì)閥門(mén)內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬,判斷絕熱狀態(tài)下閥蓋內(nèi)部間隙是否會(huì)存在低溫氣體;隨后,分析存在熱量傳遞時(shí),閥蓋內(nèi)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(nèi)部間隙的流動(dòng)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(duì)閥門(mén)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 仿真模型及理論計(jì)算

有限元仿真常用于難以進(jìn)行試驗(yàn)或試驗(yàn)成本過(guò)大的情況[19-21]。筆者使用ANSYS Fluent 2019 R2求解器進(jìn)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(rèn)Simple方法。

超低溫閥門(mén)三維建模實(shí)物圖及流體域網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 超低溫閥門(mén)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(xì)化尺寸較小區(qū)域。結(jié)果表明:網(wǎng)格偏斜率低于0.7。左右兩端分別為進(jìn)出口,左側(cè)進(jìn)口壓力為4 MPa,右側(cè)出口壓力為3.9 MPa。保冷層上區(qū)域均為對(duì)流換熱區(qū)域。初始狀態(tài)時(shí),環(huán)境溫度為300 K,腔體內(nèi)充滿空氣。入口介質(zhì)為超低溫液態(tài)甲烷(LNG中甲烷含量超過(guò)95%,故選用甲烷),溫度為109 K。閥門(mén)表面對(duì)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(nèi)部空腔的過(guò)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(huì)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(jié)果難以收斂,可靠性較低。

經(jīng)簡(jiǎn)化的MD求解過(guò)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(shí),能得到較為可信的仿真結(jié)果[22]。因此,筆者選用MD進(jìn)行仿真模擬,并根據(jù)傳熱過(guò)程中的熱量傳遞以及能量守恒,得出溫度場(chǎng)計(jì)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(duì)所有相的單個(gè)動(dòng)量方程求和,得到混合物的動(dòng)量方程如下:

(2)

式中:ρm為混合物密度,kg/m3;vm為質(zhì)量平均速度,m/s;αk為第k相的體積分?jǐn)?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(jì)算

閥蓋傳熱模型及熱量流動(dòng)如圖2所示。

圖2 閥蓋傳熱模型及熱量流動(dòng)

圖2中,超低溫閥門(mén)的換熱過(guò)程主要包括閥蓋底部流體、閥蓋內(nèi)部間隙氣體、外界空氣對(duì)閥門(mén)的對(duì)流換熱等。筆者分別對(duì)3種換熱過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型,采用數(shù)學(xué)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(mén)整體的溫度變化規(guī)律。

在閥蓋底部,低溫介質(zhì)會(huì)與閥蓋發(fā)生持續(xù)對(duì)流換熱,閥蓋將熱量傳遞給低溫介質(zhì),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(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

此時(shí),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(zhǎng)頸閥蓋內(nèi)部間隙底部,低溫氣體與閥蓋發(fā)生對(duì)流換熱,存在熱量傳遞,該過(guò)程涉及微元體外流體熱力學(xué)能的增量,以及單位時(shí)間內(nèi)流體的流動(dòng)帶出微元體的凈熱量。

該過(guò)程可用數(shù)學(xué)方程描述為:

(6)

長(zhǎng)頸閥蓋與空氣之間的對(duì)流換熱與上述過(guò)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(jié)果分析

此處筆者以所建立的仿真模型及理論計(jì)算為基礎(chǔ),進(jìn)行分析。

首先,在常溫、絕熱狀態(tài)的情況下,筆者分析閥門(mén)內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài);隨后,根據(jù)分析得到的閥門(mén)內(nèi)部流體狀態(tài),判斷超低溫閥門(mén)內(nèi)LNG及低溫氣體的流動(dòng)區(qū)域;最后,研究閥蓋間隙進(jìn)口兩側(cè)壓強(qiáng)不平衡情況下,LNG相變產(chǎn)生的低溫氣體對(duì)閥門(mén)溫度場(chǎng)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(nèi)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(dāng)流體經(jīng)過(guò)截止閥時(shí),從進(jìn)口到出口壓力逐漸減小,其中閥芯區(qū)域內(nèi)壓降較為明顯。同時(shí),可以明顯看到,閥體內(nèi)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(kāi)啟時(shí)中間截面的流線圖,流線的分布反映了閥門(mén)內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)。

由流體力學(xué)連續(xù)性方程可知:在等效通流面積減小時(shí),流體流速上升,故流體進(jìn)入閥芯時(shí)流速會(huì)有顯著提高;而在垂直流道處,流體速度上升、重力勢(shì)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(huì)進(jìn)一步提高(該類截止閥內(nèi)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(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ芤约皠?shì)能,速度降低。

由圖3(a)和圖3(b)可知:流線速度較高區(qū)域?qū)?yīng)的壓力較低,所以其分析結(jié)果較為合理。

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

該結(jié)果可以為筆者分析閥蓋內(nèi)部流體狀態(tài)提供邊界條件。

2.2 閥蓋內(nèi)部流體狀態(tài)分析

對(duì)上述絕熱狀態(tài)下的流體域流場(chǎng)進(jìn)行分析可知:在未發(fā)生熱量傳遞時(shí),會(huì)有流體涌入長(zhǎng)頸閥蓋腔體內(nèi)。但在超低溫閥門(mén)實(shí)際工作時(shí),熱量會(huì)不可避免地傳遞到低溫介質(zhì)內(nèi),導(dǎo)致低溫介質(zhì)發(fā)生汽化。

因此,此處筆者對(duì)閥蓋內(nèi)部間隙流體域進(jìn)行分析,以探究?jī)?nèi)部低溫介質(zhì)物態(tài)的變化規(guī)律。

筆者模擬實(shí)際環(huán)境,對(duì)閥門(mén)頸部保冷層以上外壁面設(shè)置對(duì)流換熱,其中,換熱系數(shù)為20 W/(m2·K),內(nèi)壁面默認(rèn)為環(huán)境溫度,且不參與對(duì)流換熱,環(huán)境溫度為300 K,入口壓力設(shè)置為3.9 MPa。

由于氣液體積比太大,為清楚觀察腔內(nèi)物態(tài)變化過(guò)程,需降低腔內(nèi)初始?xì)怏w在空腔內(nèi)占比,故須將初始液面設(shè)定為管道高度的二分之一。此種設(shè)定僅意味著發(fā)生相變的時(shí)間向后推遲,對(duì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后的結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響,只有中間相變過(guò)程不同。

閥蓋內(nèi)部流體的質(zhì)量流量、體積流量變化曲線如圖4所示。

圖4 質(zhì)量流量、體積流量隨時(shí)間變化

由圖4可知:初始狀態(tài)下,腔內(nèi)壓力小于進(jìn)口液體壓力,會(huì)有液體被壓入腔內(nèi),造成腔內(nèi)液面進(jìn)一步升高。由于壁面與外界環(huán)境對(duì)流換熱,腔內(nèi)LNG逐漸吸收熱量,當(dāng)LNG發(fā)生汽化時(shí),腔內(nèi)壓強(qiáng)急劇增大,逐漸將腔內(nèi)液體全部排出;而此時(shí)腔內(nèi)仍有較多氣體,會(huì)隨著時(shí)間的推移排出腔內(nèi)氣體;最終,質(zhì)量流量、體積流量變化曲線都趨近于0,可以認(rèn)為腔內(nèi)無(wú)LNG殘留,此時(shí)腔內(nèi)、腔外壓強(qiáng)穩(wěn)定。

2.3 低溫氣體對(duì)閥體溫度影響

分析2.2節(jié)的閥蓋內(nèi)部流體狀態(tài)可知,超低溫閥門(mén)工作時(shí)吸收熱量,LNG會(huì)發(fā)生汽化,導(dǎo)致腔內(nèi)壓強(qiáng)急劇增加,最終腔內(nèi)僅存在低溫氣體,無(wú)LNG殘留。

在此基礎(chǔ)上,筆者將首先分析低溫氣體在閥蓋內(nèi)間隙的流場(chǎng)分布;隨后,分析低溫氣體對(duì)閥體溫度的影響。

2.3.1 不同左右進(jìn)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(jiǎn)化計(jì)算資源,加快計(jì)算速度,筆者將底部進(jìn)口的4個(gè)圓柱優(yōu)化為底部1圈圓柱。在分析閥蓋內(nèi)部空腔圓柱入口時(shí),未考慮相變產(chǎn)生的壓力波動(dòng);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(qiáng)并不均勻。為研究壓差對(duì)分析結(jié)果的影響,筆者設(shè)置右側(cè)入口壓強(qiáng)略高于左側(cè)入口壓強(qiáng),固定右側(cè)入口壓強(qiáng)為4 MPa;改變左側(cè)入口壓強(qiáng),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(nèi)流體域壓力分布圖可知,在正常工作時(shí),長(zhǎng)頸閥蓋底部的流體壓強(qiáng)差距并不大。因此,筆者將壓差設(shè)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(shí)間分析步下,壓差對(duì)單CH4相高度的影響較小。

2.3.2 腔內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)分析

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

在實(shí)際工作中,由于閥門(mén)壓強(qiáng)難以穩(wěn)定,瞬態(tài)變化并不恒定,故筆者在仿真中未對(duì)入口邊界條件、達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間做過(guò)多限制。筆者主要目的在于對(duì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的閥門(mén)腔內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

壓差為0.1 MPa下,單CH4相高度隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖6 單CH4相高度隨時(shí)間變化曲線

在閥門(mén)開(kāi)啟后,LNG吸熱后汽化產(chǎn)生天然氣(boil-off-gas,BOG)。在閥體內(nèi)部壓力作用下,BOG會(huì)迅速涌入長(zhǎng)頸閥蓋與閥桿間的空腔內(nèi)。

由圖6可知:在-162.5 ℃下,BOG的密度略大于空氣,受兩側(cè)不等的入口壓力及重力影響,BOG會(huì)不斷波動(dòng)、上升,最終在腔內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí)不再升高,并在此處不斷波動(dòng);同時(shí),CH4開(kāi)始與上方空氣擴(kuò)散混合。

CH4流線分布及閥蓋內(nèi)部空腔溫度場(chǎng)如圖7所示。

圖7 閥蓋內(nèi)部CH4相分布及溫度場(chǎng)

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(shuō)明低溫氣體雖然會(huì)在高壓作用下涌入腔內(nèi),但由于進(jìn)口兩側(cè)壓力并不相等,在腔內(nèi)、外壓強(qiáng)一致時(shí),流體會(huì)從壓強(qiáng)較高的一側(cè)流入,并從壓強(qiáng)較低的一側(cè)流出。

圖7(b)顯示了低溫BOG對(duì)閥蓋內(nèi)部空腔溫度場(chǎng)的影響,這種持續(xù)流動(dòng)的低溫氣體會(huì)不斷與閥蓋發(fā)生對(duì)流換熱,并對(duì)其進(jìn)行降溫。

2.3.3 閥門(mén)溫度場(chǎng)分析

目前,在已有的研究文獻(xiàn)中,在對(duì)閥門(mén)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí),僅考慮了低溫介質(zhì)對(duì)閥體接觸對(duì)流換熱降溫,忽略了相變產(chǎn)生的低溫BOG對(duì)閥蓋閥桿的降溫作用。

未考慮BOG及考慮BOG時(shí),閥門(mén)溫度場(chǎng)的分布如圖8所示。

圖8 閥門(mén)溫度場(chǎng)分布

由圖8可知:在考慮低溫BOG時(shí),溫度最低點(diǎn)的高度會(huì)比未考慮BOG時(shí)高,且高度為閥蓋間隙內(nèi)單CH4相的高度。

為具體量化低溫BOG對(duì)閥體溫度場(chǎng)的影響,需要分析閥蓋底部法蘭盤(pán)頂端至填料函頂部這一段的閥桿溫度變化狀況。在實(shí)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(duì)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(dá)10.6 ℃,而考慮BOG時(shí)溫度僅為-0.2 ℃。由此可見(jiàn),在不考慮低溫BOG流動(dòng)情況下,設(shè)計(jì)長(zhǎng)頸閥蓋長(zhǎng)度時(shí),實(shí)際填料函底部溫度會(huì)比設(shè)計(jì)值低一些,這將造成安全隱患,易導(dǎo)致生產(chǎn)的低溫閥門(mén)在工作時(shí),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(duì)填料函底部溫度場(chǎng)的影響具有重要意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

深入研究超低溫閥門(mén)的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)提高我國(guó)特種閥門(mén)技術(shù)具有深遠(yuǎn)影響。在仿真模擬超低溫閥門(mén)溫度分布時(shí),采用的分析方式忽略了低溫介質(zhì)吸收熱量發(fā)生相變后,所產(chǎn)生的低溫氣體與閥門(mén)之間的熱量傳遞。

為此,基于傳熱學(xué)相關(guān)理論,筆者推導(dǎo)了閥門(mén)內(nèi)部傳熱微分方程,運(yùn)用有限元仿真軟件,模擬了閥門(mén)內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài),并探究了LNG相變產(chǎn)生的低溫氣體對(duì)閥門(mén)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

研究結(jié)果表明:

1)在超低溫閥的工作過(guò)程中,LNG僅在閥體內(nèi)部流動(dòng)。由LNG閃蒸及汽化產(chǎn)生的低溫氣體會(huì)在閥蓋內(nèi)部的空腔底部流動(dòng),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(nèi)的低溫氣體升高到腔內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí)不再上升,此時(shí)腔內(nèi)壓強(qiáng)處處相等,數(shù)值在兩側(cè)入口壓強(qiáng)之間。流動(dòng)的低溫氣體不斷與閥蓋、閥桿對(duì)流換熱,對(duì)其進(jìn)行降溫;

3)在未考慮BOG時(shí),填料函底部溫度可達(dá)10.6 ℃,考慮BOG時(shí),溫度卻僅為-0.2 ℃。因此,在設(shè)計(jì)低溫閥長(zhǎng)頸閥蓋長(zhǎng)度時(shí),需考慮LNG相變后產(chǎn)生的低溫氣體對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響,以更好防止因填料函結(jié)冰而發(fā)生的泄漏。

在后續(xù)的研究中,筆者將在準(zhǔn)確分析閥門(mén)溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上,探究法蘭盤(pán)處密封性能,并提出優(yōu)化方案,以解決此類特種閥門(mén)啟閉扭矩過(guò)大等的問(wèn)題;同時(shí),基于上述的設(shè)計(jì)理論,筆者將繼續(xù)與相關(guān)企業(yè)進(jìn)行合作,研發(fā)出不同型號(hào)的閥門(mén),以便驗(yàn)證上述的仿真結(jié)果。