蘇曉煒 郝夢(mèng)琳 盛選禹

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403011

摘 要 以呼吸閥及連接儲(chǔ)罐系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用Fluent?DPM計(jì)算方法對(duì)具體工況條件下呼吸閥吸氣過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，分析罐內(nèi)流體速度場(chǎng)分布情況和壓力變化規(guī)律，并與Cradle CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性。分別對(duì)不同管徑規(guī)格的呼吸閥進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：呼吸閥吸氣后罐內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)較大的漩渦，最大速度出現(xiàn)在偏底部位置，速度由內(nèi)向外不斷增大，導(dǎo)致儲(chǔ)罐更容易發(fā)生吸癟情況;選用

DN 150呼吸閥，罐內(nèi)最低負(fù)壓為-2 598.42 Pa，小于罐體所能承受的最大負(fù)壓，罐體不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

關(guān)鍵詞 儲(chǔ)罐 呼吸閥 呼吸量 儲(chǔ)罐負(fù)壓 選型 Fluent?DPM

中圖分類號(hào) TQ055.8+1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號(hào) 0254?6094（2024）03?0397?05

d

Safety Analysis of the Pressure Within Breathing Valve and Connected

Storage Tank Based on Fluent?DPM Method

SU Xiao?wei1， HAO Meng?lin2， SHENG Xuan?yu3

（1.CGN China Nuclear Power Technology Research Institute Co.， Ltd.; 2.Tianjin Research Institute for Advanced

Equipment， Tsinghua University; 3. Department of Mechanical Engineering， Tsinghua University）

Abstract?? Taking the breathing valve and its connected storage tank system as the object of research， the Fluent?DPM calculation method was used to calculate the breathing valves suction process under specific working conditions， to analyze both fluid velocity field distribution and pressure change rule within the tank as well as to be compared with the Cradle CFD calculation results to verify reliability of the calculated results. The results show that， two large vortices occur in the tank after the breathing valve aspirated. The maximum velocity appears at the bottom position and the velocity increases from inside to outside， which leads to the suction of the tank more easily. When DN 150 breathing valve is selected， the lowest negative pressure in the tank is -2 598.42 Pa， which is less than the maximum negative pressure that the tank can withstand and no instability occurs to the tank at this time.

Key words??? storage tank， breathing valve， breathing quantity， negative pressurewithin tank， selection， Fluent?DPM

（Continued from Page 396）

作者簡(jiǎn)介：蘇曉煒（1990-），工程師，從事反應(yīng)堆研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

通訊作者：盛選禹（1969-），副研究員，從事反應(yīng)堆設(shè)計(jì)與仿真工作，shengxy@tsinghua?tj.org。

引用本文：蘇曉煒，郝夢(mèng)琳，盛選禹.基于Fluent?DPM的呼吸閥和連接儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力安全分析[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：397-401.

常壓、低壓儲(chǔ)罐在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)由于儲(chǔ)罐液面的改變或者外界溫度變化等原因，導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)氣體膨脹或收縮，儲(chǔ)罐內(nèi)氣相壓力隨之波動(dòng)，使得儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓或真空的情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓鼓罐或低壓癟罐的情況[1]。為防止儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓或負(fù)壓的失穩(wěn)狀態(tài)，通常通過(guò)在罐頂安裝呼吸閥的方式來(lái)維持儲(chǔ)罐內(nèi)外壓力的平衡。呼吸閥不僅能夠在一定壓力范圍內(nèi)將儲(chǔ)罐與大氣隔絕，而且還能在儲(chǔ)罐內(nèi)、外壓差超過(guò)一定范圍時(shí)，與大氣相通，通過(guò)自發(fā)排氣或吸氣來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐內(nèi)外壓力平衡，從而對(duì)儲(chǔ)罐的超壓或超真空狀態(tài)起到調(diào)節(jié)作用。

在工藝設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況確保呼吸閥有足夠的呼吸量以保證儲(chǔ)罐能夠在正常壓力下工作。目前，主要通過(guò)參考設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)以及工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)計(jì)算呼吸閥的呼吸量，但是該方法存在估算有限，無(wú)法明確呼吸閥和連接罐內(nèi)壓力分布情況，所考慮的影響因素與實(shí)際環(huán)境存在誤差等問(wèn)題。近年來(lái)，諸多學(xué)者研究了常/低壓儲(chǔ)罐氮封、呼吸閥、緊急泄放閥等壓力泄放設(shè)施設(shè)定壓力的確定原則以及正常工況下呼吸量的精確計(jì)算方法，提出了峰值守恒法等新的呼吸閥呼吸量計(jì)算方法[2～9];王飛和呼曉成提出，在選定呼吸閥呼吸量過(guò)程中應(yīng)充分考慮氣候驟變、氣候緩變等氣候條件的影響[10];但上述研究均未對(duì)呼吸閥使用后，儲(chǔ)罐內(nèi)的實(shí)際壓力分布情況以及儲(chǔ)罐吸癟或膨脹的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。郝一霖依據(jù)呼吸閥類產(chǎn)品的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)基于液壓密封的呼吸閥進(jìn)行了開(kāi)啟壓力、呼吸量等實(shí)驗(yàn)測(cè)試，但未對(duì)呼吸閥所連接的儲(chǔ)罐進(jìn)行安全性分析[10]。

筆者以呼吸閥及其連接儲(chǔ)罐系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用Fluent?DPM計(jì)算方法對(duì)具體工況條件下的呼吸閥吸氣過(guò)程進(jìn)行流體計(jì)算，分析儲(chǔ)罐內(nèi)部流體速度場(chǎng)分布情況以及壓力的變化規(guī)律，并與Cradle CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)計(jì)算結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)不同管徑的呼吸閥進(jìn)行計(jì)算，總結(jié)呼吸閥管徑對(duì)儲(chǔ)罐安全性的影響，為呼吸閥選型提供數(shù)據(jù)支撐。

1 呼吸閥工作原理與選型

1.1 呼吸閥工作原理

呼吸閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由一個(gè)正壓閥盤和一個(gè)負(fù)壓閥盤組成。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力和大氣壓力相等時(shí)，正壓閥盤和負(fù)壓閥盤均處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高到呼出壓力時(shí)，正壓閥盤打開(kāi)，罐內(nèi)氣體通過(guò)呼吸閥排出，直至壓力降到呼出壓力以下，此時(shí)負(fù)壓閥盤由于罐內(nèi)正壓的作用一直處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力小于吸入壓力時(shí)，負(fù)壓盤閥由于大氣壓的正壓作用而打開(kāi)，外界氣體通過(guò)呼吸閥進(jìn)入儲(chǔ)罐，直至壓力升高至吸入壓力以上，在此過(guò)程中正壓閥盤一直處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 選型方法

呼吸量是呼吸閥選型的一個(gè)重要參數(shù)。筆者依據(jù)SH/T 3007—2007《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)部分進(jìn)行呼吸閥呼吸量計(jì)算。

當(dāng)罐內(nèi)物料閃點(diǎn)大于45 ℃時(shí)：

Q=V+Q（1）

Q=1.07V+Q（2）

當(dāng)罐內(nèi)物料閃點(diǎn)小于45 ℃時(shí)：

Q=V+Q（3）

Q=2.14V+Q（4）

式中 Q——呼吸閥吸氣時(shí)的總呼吸量，m3/h;

Q——呼吸閥呼氣時(shí)的總呼吸量，m3/h;

Q——呼吸閥吸氣或呼氣時(shí)，因環(huán)境變化引起的儲(chǔ)罐呼吸量，m3/h;

V——儲(chǔ)罐最大進(jìn)料流量，m3/h;

V——儲(chǔ)罐最大出料流量，m3/h。

呼吸閥管徑d的計(jì)算式為：

d=18.81Q/u（5）

式中 Q——呼吸閥呼氣和吸氣時(shí)的最大呼吸量，m3/h;

u——?dú)怏w流速，m/s。

通常，氣體流速u選擇3～5 m/s，計(jì)算得到呼吸閥管徑后需向上取整，呼吸閥常用規(guī)格[11]包括

DN 50、DN 80、DN 100、DN 150、DN 200、DN 250、DN 300、DN 350。

2 吸氣過(guò)程仿真分析

呼吸閥及其連接儲(chǔ)罐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)工作的第1個(gè)階段為熱噴淋，將90 ℃的熱水通過(guò)清洗球向儲(chǔ)罐內(nèi)噴灑，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行清洗消毒足夠長(zhǎng)的時(shí)間后停止熱噴淋。第2個(gè)階段是冷卻降溫，15 ℃的冷水通過(guò)清洗球噴灑儲(chǔ)罐進(jìn)行降溫，與此同時(shí)罐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)負(fù)壓超過(guò)呼吸閥吸入壓力后呼吸閥開(kāi)始吸氣平衡罐內(nèi)壓力。仿真采用DPM模型，罐內(nèi)濕空氣為連續(xù)相，清洗球注入的水滴為分散在連續(xù)相中的離散相，用歐拉-拉格朗日法求解，模擬噴淋水滴在罐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和傳熱過(guò)程。

系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)如下：

罐高 3.6 m

罐直徑 2.85 m

罐體積 23 m3

呼吸閥直徑 100/150/200 mm

清潔球直徑 60.3 mm

儲(chǔ)罐可承受最大真空度 -5 000 Pa

呼吸閥吸氣壓力 -500 Pa

環(huán)境溫度 10 ℃

清洗溫度 90 ℃

冷卻溫度 15 ℃

2.1 離散相傳熱受力分析

液滴熱量傳遞模型為：清洗球注入儲(chǔ)罐的水以液滴形式在儲(chǔ)罐內(nèi)擴(kuò)散，所以采用DPM離散相模型來(lái)描述液滴的運(yùn)動(dòng)及換熱過(guò)程，計(jì)算過(guò)程中忽略其表面輻射。數(shù)學(xué)模型為：

mc=hA（T-T）-h （6）

式中 Ap——離散相與連續(xù)相的接觸面積，m2;

c——離散相定壓比熱容，J/（kg·K）;

dm/dt——液滴蒸發(fā)率，kg/s;

h——離散相傳熱系數(shù)，W/（m2·K）;

h——相變焓，J/kg;

m——離散相的質(zhì)量，kg;

T——離散相的溫度，K;

T——連續(xù)相的溫度，K。

在連續(xù)相能量方程的計(jì)算中，連續(xù)相傳遞到離散相的熱量作為能量源，式（6）中的傳熱系數(shù)h使用Ranz?Marshall關(guān)系式計(jì)算[12]：

Nu==2.0+0.6Redpr（7）

式中 d——離散粒徑，m;

Nu——努塞爾數(shù);

Pr——連續(xù)相的普朗特?cái)?shù);

Re——雷諾數(shù);

λ——連續(xù)相的熱導(dǎo)率，W/（m·K）。

在液滴換熱過(guò)程中，液滴作用力平衡方程如下：

=F（u-u）+（8）

F=·（9）

Re=（10）

式中 C——拽力系數(shù);

F——液滴所受曳力;

g——液滴在y方向上的重力加速度，m/s2;

Re——相對(duì)雷諾數(shù);

t——時(shí)間，s;

u——離散相速度，m/s;

ρ、ρ——離散相、連續(xù)相密度，kg/m3;

μ、μ——離散相、連續(xù)相動(dòng)力黏度，Pa·s。

由于液滴的拽力系數(shù)依賴于液滴形狀，所以液滴畸變后的拽力系數(shù)[13]為：

C=C（1+2.632y）（11）

其中，y為液滴的畸變系數(shù)，C為液體為球體時(shí)的拽力系數(shù)。在無(wú)畸變（y=0）的極限條件下，得到球體的拽力系數(shù);在最大畸變（y=1）下，得到圓盤所對(duì)應(yīng)的拽力系數(shù)。本模擬采用無(wú)畸變，故C=1[14]。

2.2 仿真模型

建立仿真模型時(shí)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并將對(duì)流體計(jì)算沒(méi)有影響以及不關(guān)注的部分省去，同時(shí)清洗球在計(jì)算過(guò)程中采用DPM模型替代。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為多面體，仿真模型如圖2所示。建立組分運(yùn)輸模型，儲(chǔ)罐初始狀態(tài)為90 ℃濕空氣狀態(tài)（空氣和HO的混合態(tài)），濕空氣設(shè)置為理想氣體。建立DPM模型，噴淋顆?？傎|(zhì)量流量為6.94 kg/s，溫度為15 ℃，顆粒直徑為

1 mm，噴淋速度v=-1.72 m/s，v=-1.72 m/s。15 ℃的冷水噴淋入充滿90 ℃濕空氣的儲(chǔ)罐內(nèi)后進(jìn)行換熱，壓力開(kāi)始降低，當(dāng)罐內(nèi)壓力降低到-500 Pa時(shí)，呼吸閥開(kāi)啟，吸入10 ℃的空氣。呼吸閥入口設(shè)置為流量入口（mass?flow?inlet），流量為與壓強(qiáng)相關(guān)的函數(shù)。儲(chǔ)罐內(nèi)的流動(dòng)屬于湍流，湍流模型選用Realizable k?ε模型，SIMPLEC算法，開(kāi)啟能量方程，湍流相關(guān)參數(shù)采用二階迎風(fēng)格式離散化，對(duì)儲(chǔ)罐溫度和壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選擇標(biāo)準(zhǔn)初始化解法，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行初始化，完成后，設(shè)定步長(zhǎng)并進(jìn)行計(jì)算。

2.3 結(jié)果分析

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，分析罐內(nèi)壓力變化規(guī)律，圖3為DN 150呼吸閥的罐內(nèi)壓力變化曲線?？梢钥闯觯瑑?chǔ)罐內(nèi)部壓力降低到-500 Pa時(shí)呼吸閥開(kāi)啟，吸入空氣開(kāi)始平衡罐內(nèi)壓力，當(dāng)壓力達(dá)到最低壓力-2 598.42 Pa后開(kāi)始回升，直到-500 Pa后呼吸閥關(guān)閉。儲(chǔ)罐最低壓力小于儲(chǔ)罐可承受的負(fù)壓-5 000 Pa。為驗(yàn)證該計(jì)算結(jié)果的可靠性，將其與相同工況下的Cradle CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。可以看出，F(xiàn)luent?DPM方法的計(jì)算結(jié)果與Cradle CFD計(jì)算結(jié)果接近，兩者罐內(nèi)壓力的相對(duì)誤差在10%左右，可見(jiàn)本文所提Fluent?DPM方法可以有效模擬出實(shí)際罐內(nèi)的壓力變化規(guī)律。

圖4為儲(chǔ)罐內(nèi)速度流線圖?？梢钥闯觯諝鈴暮粑y進(jìn)入儲(chǔ)罐后產(chǎn)生兩個(gè)較大的漩渦，最大速度出現(xiàn)在輪廓線的兩側(cè)和底部，并且速度由內(nèi)向外不斷增大，罐內(nèi)壓力分布情況為偏底部壓力分布較低，因此更容易被吸癟。

2.4 呼吸閥選型

分別對(duì)DN 100、DN 150、DN 200的呼吸閥進(jìn)行流體計(jì)算分析，觀察連接儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力變化，

不同管徑規(guī)格呼吸閥所連接儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力變化曲線如圖5所示。由圖5a可知，對(duì)于DN 100的呼吸閥，由于呼吸閥呼吸量較小，在呼氣過(guò)程中，罐內(nèi)最低壓力遠(yuǎn)超過(guò)罐體所能承受的最大負(fù)壓，因此若選用DN 100呼吸閥，則罐體會(huì)出現(xiàn)被吸癟的情況。由圖3可知，對(duì)于DN 150的呼吸閥，其罐內(nèi)最低負(fù)壓小于罐體所能承受的最大負(fù)壓，罐體不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。由圖5b可知，對(duì)于DN 200的呼吸閥，由于其呼吸量較大，呼吸閥打開(kāi)后很快就將罐內(nèi)壓力平衡為正壓，但是選擇DN 200的呼吸閥也是不合適的，這會(huì)導(dǎo)致工程成本提高，資源浪費(fèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用Fluent?DPM方法對(duì)連接不同管徑呼吸閥的儲(chǔ)罐內(nèi)壓力場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并與Cradle CFD所計(jì)算的同工況結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了文中的仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)仿真分析得到了呼吸閥管徑對(duì)罐內(nèi)壓力場(chǎng)和罐體安全性的影響。對(duì)于儲(chǔ)罐，若選用小管徑的呼吸閥，則容易出現(xiàn)罐體被吸癟的問(wèn)題，若選用大管徑的呼吸閥，則罐內(nèi)壓力在很短的時(shí)間內(nèi)被平衡，資源無(wú)法被充分利用?？紤]到選用不同管徑的呼吸閥工程成本不同，在選用呼吸閥過(guò)程中需保證儲(chǔ)罐在不失穩(wěn)的前提下盡量選用較小管徑的呼吸閥，因此選擇DN 150呼吸閥。該仿真分析結(jié)果可以作為呼吸閥選型過(guò)程中的重要參考依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-05-19，修回日期：2024-05-16）