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,無毒、無腐蝕性、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。但我國本土LNG資源并不充足,無法滿足人民對(duì)其日益增長的需求,所以需要從其他國家大量進(jìn)口LNG[1]。能源關(guān)系到國家的經(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LNG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],不得不依賴國外進(jìn)口。

因此,深入研究超低溫閥門的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)提高我國特種閥門技術(shù)儲(chǔ)備以及擺脫國外技術(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)生在閥門填料函處,這是因?yàn)長NG閥門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),超低溫閥門在啟閉過程中,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,研究人員對(duì)防止LNG閥門填料函處外泄漏開展了相關(guān)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(duì)換熱效率的影響。王曉濤等人[9]通過推導(dǎo)翅片導(dǎo)熱微分方程,得到了閥蓋長度的理論計(jì)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(duì)滴水盤半徑、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[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之間的熱量傳遞。

針對(duì)上述問題,筆者研究LNG相變產(chǎn)生的低溫氣體對(duì)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(duì)影響閥門溫度變化的傳熱過程進(jìn)行解釋,在此基礎(chǔ)上對(duì)閥門內(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)閥門溫度場的影響規(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95%,故選用甲烷),溫度為109 K。閥門表面對(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(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)傳熱過程中的熱量傳遞以及能量守恒,得出溫度場計(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,超低溫閥門的換熱過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)閥門的對(duì)流換熱等。筆者分別對(duì)3種換熱過程建立數(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。

該過程可用數(shù)學(xué)方程描述為:

(6)

長頸閥蓋與空氣之間的對(duì)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(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,筆者分析閥門內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài);隨后,根據(jù)分析得到的閥門內(nèi)部流體狀態(tài),判斷超低溫閥門內(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(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)為截止閥開啟時(shí)中間截面的流線圖,流線的分布反映了閥門內(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)有流體涌入長頸閥蓋腔體內(nèi)。但在超低溫閥門實(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,以探究內(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)流場狀態(tài)分析

由上述分析可知:壓差對(duì)仿真結(jié)果無明顯影響。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)間做過多限制。筆者主要目的在于對(duì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的閥門腔內(nèi)溫度場進(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

在閥門開啟后,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)部空腔溫度場如圖7所示。

圖7 閥蓋內(nèi)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(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 閥門溫度場分析

目前,在已有的研究文獻(xiàn)中,在對(duì)閥門溫度場進(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(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(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,在不考慮低溫BOG流動(dòng)情況下,設(shè)計(jì)長頸閥蓋長度時(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)填料函底部溫度場的影響具有重要意義。

3 結(jié)束語

深入研究超低溫閥門的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)提高我國特種閥門技術(shù)具有深遠(yuǎn)影響。在仿真模擬超低溫閥門溫度分布時(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)了閥門內(nèi)部傳熱微分方程,運(yùn)用有限元仿真軟件,模擬了閥門內(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)閥門溫度場的影響規(guī)律。

研究結(jié)果表明:

1)在超低溫閥的工作過程中,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)低溫閥長頸閥蓋長度時(shí),需考慮LNG相變后產(chǎn)生的低溫氣體對(duì)溫度場分布的影響,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)確分析閥門溫度場的基礎(chǔ)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(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,以便驗(yàn)證上述的仿真結(jié)果。