闭式安全阀泄放管道瞬态不平衡力的数值分析
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由式(2)可得泄放介质中的声速c=239 m/s, 将该值代入式(1),可得泄放管道介质中的声波波长 厶。=9.56 m。当上下游弯头间的直管段长度厶=厶。时, 泄放管道的几何模型如图1所示。
压力 出口
截面2
质重 入口
图1泄放管道几何模型 Fig.l Geometric model of discharge pipeline
道设计及应力分析工作。
2019年6月
季龙庆，等•闭式安全阀泄放管道瞬态不平衡力的数值分析
-69 •
(2)
式中k— —碳四介质比热容比，k= 1.082 : R——通用气体常数，R = &314J/(mol K): T——碳四介质温度，T= 363 K : M——碳四相对分子质量，M= 57.24 kg/kmol。
求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组，被 广泛用于模拟流体流动、传热传质和反应燃烧等问 题卩"，本文即使用计算流体力学方法，通过建立 泄放管路的三维模型，对闭式系统安全阀泄放的瞬 态泄放过程进行模拟，并对泄放管道内弯头间的不 平衡力进行了分析。
1模型建立
计算模型参数选自某炼油装置碳四原料预处理
单元，碳四原料处理罐采用闭式安全阀系统进行超
根据Muschelknautz的研究，直管段间的不平衡
力与直管段长度有关。本文中，弯头间的直管段长度
厶取介质中的声波波长厶，其值可按式（1）计算：
Lo = ct0
（1）
式中 c---- 声速。
泄放管道内碳四介质中的声速C可按式（2）计算:
收稿日期：2018-11-13 作者简介：季龙庆（1988—），男，工程师，硕士。主要从事管
压保护。根据安全阀厂家提供的数据，安全阀整定
压力Ps=1.06 MPa,泄放背压P°=0.2 MPa,额定排
量％=26.71 kg/s,安全阀开启时间％=0.04 s,安全
阀流道面积A0=l 129 mm2,根据ASME B31.1计算
的稳态安全阀泄放反力F°=12 533 N。安全阀入口管
径为150 mm,出口管径为200 mm。
安全阀排气泄放时，泄放管道内介质的流动 会对管道产生泄放反力。泄放反力主要依据ASME B31.1或API 520中推荐的方法进行计算〔5。两 种方法适用于开式系统安全阀泄放反力的计算。对 于闭式系统安全阀，两种方法均认为在稳定流动条 件下，除在排气管出口处或泄放管道突然增大处存 在一个较大反力外，系统中其余部位的受力具有自 平衡性，不会在管道中产生较大作用力。然而，安 全阀突然开启后，在达到稳定流动状态之前存在 一个瞬态流动过程，此过程中压力和流动的不均匀 性将导致泄放管道中上下游弯头间出现不平衡力 。 Muschelknautz等人使用CFX 4.2软件对安全阀泄 放过程的二维模型进行了模拟分析，并对泄放管 道内的不平衡力进行了实验测定模拟与实验 结果均显示了安全阀开启过程中泄放管道内瞬态 不平衡力的存在。然而，Muschelknautz的研究模 型仅包括一个弯头且为简化的二维模型，其模型 未包含真实的流动截面信息，而泄放反力为压力 和速度作用于流动截面上的合力，因此其模型无 法计算泄放反力的真实大小。计算流体力学通过
其中，截面1为上游弯头末端，截面2为下游 弯头始端。
为避免模拟安全阀阀座的开启过程，以入口质 量流量的变化模拟安全阀的开启过程。入口的质量流 量W随时间变化曲线如图2所示。压力出口取安全 阀背压0.2 MPa,其他边界设为壁面。
26.
图2入口质量流量变化曲线 Fig.2 Mass flow - time curve at the inlet
中图分类号：TQ 055.8； TH 123
文献标识码：A
文章编号：1009-3281 （2019） 03-0068-004
安全阀是石油化工装置中压力容器、压力管道 及其他受压设备的超压保护装置W安全阀开启时， 介质直接泄放到大气或泄放到与安全阀不相连的放 空管的系统称为开式系统，介质通过直接与安全阀相 连接的管道排放至远地的系统称为闭式系统
第56卷第3期 2019年6月
化工设备与管迺
PROCESS EQUIPMENT & PIPING
Vol. 56 No. 3 Jun. 2019
闭式安全阀泄放管道瞬态不平衡力的数值分析
季龙庆，刘洪佳
（中海油石化工程有限公司，济南250101）
摘要：为研究闭式安全阀系统泄放过程中泄放管道内的瞬态不平衡力，建立了泄放管道的三维模
型，并使用流体力学计算方法对泄放过程中管道内的瞬态流动进行了数值模拟。模拟结果显示了泄放
管道内瞬态不平衡力的存在。峰值瞬态不平衡力与弯头间直管段的长度和动载因子有关，其在弯头间
直管段的长度等于声波波长时达到最大，当弯头间直管段的长度小于声波波长时，峰值瞬态不平衡力
与弯头间直管段的长度成正比。
关键词：数值模拟；不平衡力；闭式安全阀；瞬态过程
从图3中可以看到，计算结束时刻各参数都已 经趋于稳定，表明计算时间步数设置满足计算要求。 与截面1相比，截面2上各流动参数变化均有一定的 时间延迟。其中压力项延迟与压力波传播有关，压力 项延迟约0.04 so温度项延迟与介质传播有关，由于 压力波的传播速度要大于介质的传播速度，因此温度 项延迟约0.09 s。介质密度与压力、温度均有关，其 变化首先受到压力变化的影响，密度项延迟约0.04 So 介质速度虽然与介质传播有关，然而由于存在静压能 与动能的转化，因此速度也首先受到压力变化的影 响，速度项延迟约0.04 so
模型求解的控制方程包括质量守恒方程、动量 守恒方程以及能量守恒方程，其中黏度模型选用标 准k-e模型，这些方程和模型均可由文献［11］查得。
计算方程中涉及到的碳四原料e 1 Basic parameter of computation
〜借
密度
比热容
导热系数
黏度
/(kg - mJ) /(J - kg' - K') /(W - m'1 - K1) /(kg-m'1 -s1)
C4 pM/RT 1 916
0.045 4
1.72X10』
2流场分析
由于安全阀泄放过程时间通常很短，管路内各 流体参数变化非常迅速，因此将计算的时间步长设为 0.001 s,整个计算过程包括500个时间步长共计0.5 So 泄放管路截面1与截面2上的压力、温度、速度、密 度等流动参数随时间的变化曲线如图3所示。
压力 出口
截面2
质重 入口
图1泄放管道几何模型 Fig.l Geometric model of discharge pipeline
道设计及应力分析工作。
2019年6月
季龙庆，等•闭式安全阀泄放管道瞬态不平衡力的数值分析
-69 •
(2)
式中k— —碳四介质比热容比，k= 1.082 : R——通用气体常数，R = &314J/(mol K): T——碳四介质温度，T= 363 K : M——碳四相对分子质量，M= 57.24 kg/kmol。
求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组，被 广泛用于模拟流体流动、传热传质和反应燃烧等问 题卩"，本文即使用计算流体力学方法，通过建立 泄放管路的三维模型，对闭式系统安全阀泄放的瞬 态泄放过程进行模拟，并对泄放管道内弯头间的不 平衡力进行了分析。
1模型建立
计算模型参数选自某炼油装置碳四原料预处理
单元，碳四原料处理罐采用闭式安全阀系统进行超
根据Muschelknautz的研究，直管段间的不平衡
力与直管段长度有关。本文中，弯头间的直管段长度
厶取介质中的声波波长厶，其值可按式（1）计算：
Lo = ct0
（1）
式中 c---- 声速。
泄放管道内碳四介质中的声速C可按式（2）计算:
收稿日期：2018-11-13 作者简介：季龙庆（1988—），男，工程师，硕士。主要从事管
压保护。根据安全阀厂家提供的数据，安全阀整定
压力Ps=1.06 MPa,泄放背压P°=0.2 MPa,额定排
量％=26.71 kg/s,安全阀开启时间％=0.04 s,安全
阀流道面积A0=l 129 mm2,根据ASME B31.1计算
的稳态安全阀泄放反力F°=12 533 N。安全阀入口管
径为150 mm,出口管径为200 mm。
安全阀排气泄放时，泄放管道内介质的流动 会对管道产生泄放反力。泄放反力主要依据ASME B31.1或API 520中推荐的方法进行计算〔5。两 种方法适用于开式系统安全阀泄放反力的计算。对 于闭式系统安全阀，两种方法均认为在稳定流动条 件下，除在排气管出口处或泄放管道突然增大处存 在一个较大反力外，系统中其余部位的受力具有自 平衡性，不会在管道中产生较大作用力。然而，安 全阀突然开启后，在达到稳定流动状态之前存在 一个瞬态流动过程，此过程中压力和流动的不均匀 性将导致泄放管道中上下游弯头间出现不平衡力 。 Muschelknautz等人使用CFX 4.2软件对安全阀泄 放过程的二维模型进行了模拟分析，并对泄放管 道内的不平衡力进行了实验测定模拟与实验 结果均显示了安全阀开启过程中泄放管道内瞬态 不平衡力的存在。然而，Muschelknautz的研究模 型仅包括一个弯头且为简化的二维模型，其模型 未包含真实的流动截面信息，而泄放反力为压力 和速度作用于流动截面上的合力，因此其模型无 法计算泄放反力的真实大小。计算流体力学通过
其中，截面1为上游弯头末端，截面2为下游 弯头始端。
为避免模拟安全阀阀座的开启过程，以入口质 量流量的变化模拟安全阀的开启过程。入口的质量流 量W随时间变化曲线如图2所示。压力出口取安全 阀背压0.2 MPa,其他边界设为壁面。
26.
图2入口质量流量变化曲线 Fig.2 Mass flow - time curve at the inlet
中图分类号：TQ 055.8； TH 123
文献标识码：A
文章编号：1009-3281 （2019） 03-0068-004
安全阀是石油化工装置中压力容器、压力管道 及其他受压设备的超压保护装置W安全阀开启时， 介质直接泄放到大气或泄放到与安全阀不相连的放 空管的系统称为开式系统，介质通过直接与安全阀相 连接的管道排放至远地的系统称为闭式系统
第56卷第3期 2019年6月
化工设备与管迺
PROCESS EQUIPMENT & PIPING
Vol. 56 No. 3 Jun. 2019
闭式安全阀泄放管道瞬态不平衡力的数值分析
季龙庆，刘洪佳
（中海油石化工程有限公司，济南250101）
摘要：为研究闭式安全阀系统泄放过程中泄放管道内的瞬态不平衡力，建立了泄放管道的三维模
型，并使用流体力学计算方法对泄放过程中管道内的瞬态流动进行了数值模拟。模拟结果显示了泄放
管道内瞬态不平衡力的存在。峰值瞬态不平衡力与弯头间直管段的长度和动载因子有关，其在弯头间
直管段的长度等于声波波长时达到最大，当弯头间直管段的长度小于声波波长时，峰值瞬态不平衡力
与弯头间直管段的长度成正比。
关键词：数值模拟；不平衡力；闭式安全阀；瞬态过程
从图3中可以看到，计算结束时刻各参数都已 经趋于稳定，表明计算时间步数设置满足计算要求。 与截面1相比，截面2上各流动参数变化均有一定的 时间延迟。其中压力项延迟与压力波传播有关，压力 项延迟约0.04 so温度项延迟与介质传播有关，由于 压力波的传播速度要大于介质的传播速度，因此温度 项延迟约0.09 s。介质密度与压力、温度均有关，其 变化首先受到压力变化的影响，密度项延迟约0.04 So 介质速度虽然与介质传播有关，然而由于存在静压能 与动能的转化，因此速度也首先受到压力变化的影 响，速度项延迟约0.04 so
模型求解的控制方程包括质量守恒方程、动量 守恒方程以及能量守恒方程，其中黏度模型选用标 准k-e模型，这些方程和模型均可由文献［11］查得。
计算方程中涉及到的碳四原料e 1 Basic parameter of computation
〜借
密度
比热容
导热系数
黏度
/(kg - mJ) /(J - kg' - K') /(W - m'1 - K1) /(kg-m'1 -s1)
C4 pM/RT 1 916
0.045 4
1.72X10』
2流场分析
由于安全阀泄放过程时间通常很短，管路内各 流体参数变化非常迅速，因此将计算的时间步长设为 0.001 s,整个计算过程包括500个时间步长共计0.5 So 泄放管路截面1与截面2上的压力、温度、速度、密 度等流动参数随时间的变化曲线如图3所示。