液化天然气输送系统超低温球阀介质流动仿真分析

摘    要：超低温球阀广泛应用在LNG输送管道系统中，但是超低温球阀经常会发生空化现象。本文对LNG超低温球阀中的空化现象进行了仿真分析，结果表明：随着质量流量的增加，LNG在球阀管道中的速度越来越大，产生的压降也越来越大；LNG超低温球阀管道内部空化发生的位置主要位于焊接法兰附近的缩口处，并且进口处的空化要比出口处的空化现象更加严重。

关键词：超低温球阀;液化天然气;空化;管道输送;

1 概述

2021年，中国进口LNG达8140万吨，超过日本成为全球最大的液化天然气(LNG)进口国，标志着自20世纪70年代初以来，中国首次成为全球最大LNG进口国。在中国成为全球最大LNG进口国的同时，LNG超低温阀门产品的加工制作也迎来更大的发展空间[1]。LNG超低温球阀主要用于天然气液化工厂、液化天然气接收站、液化天然气船舶运输等系统装置中。一个大型LNG项目中使用的低温阀门数量能够达到上万台，其中光是低温球阀就能够占到70%左右[2,3]。这些阀门对于LNG输送系统的安全运行起着决定性的作用，经过对大量的LNG设备事故案例进行分析，可以发现有多起案例是由于阀门故障或者失效造成了LNG泄漏，进而致使整个系统装置被迫停机甚至发生燃烧、爆炸。因此，本文将对应用在液化天然气输送装置中的超低温上装式球阀(后简称“LNG超低温球阀”)内部的介质流动进行仿真计算，为LNG超低温球阀的安全使用提供一定的理论支持。

2 物理模型和数值模拟方法

2.1 LNG超低温球阀物理模型

计算所采用的LNG超低温球阀三维如图1所示。LNG超低温球阀主要由支架、阀杆、加长阀盖、球体、阀体、前后阀座以及连接件、密封件等构成。由于LNG的低温，LNG超低温球阀以及管道内部非常容易产生空化现象。因此本小节将会围绕LNG超低温球阀内部的空化现象，来对LNG超低温球阀进行计算。

图1 LNG超低温球阀三维结构示意图  

图2为LNG超低温球阀的流场计算域示意图，球阀前后管道均延长至管道直径的10倍距离，图中的红色区域即为LNG介质在球阀管道中的流动区域。

图2 LNG超低温球阀全开工况下计算域示意图 

LNG超低温球阀的计算域网格划分结果如图3所示。计算域的外部边界采用多面体网格进行划分，以更好的贴合计算域的轮廓，内部采用正六面体网格，以减少网格单元的数量，同时还要在结构比较复杂的地方进行网格加密。

图3 网格划分示意图  

2.2 边界条件设置以及控制方程

液化天然气LNG和天然气NG的主要物性参数如表1所示。

表1 液化天然气和天然气的物性参数

仿真计算所采用的连续性方程、动量方程分别如下：

式中 U——速度

ρ——密度

p——压力

ρm——汽液混合密度

ρv为天然气密度

ρl为液化天然气密度

空化模型使用Zwart等人[4]提出的空化模型：

式中m+表示由天然气凝结为LNG的质量；m-表示由LNG转化为天然气的质量。Cp和Cd分别为模型中的凝结常数和汽化常数，αv为天然气体积分数，αnuc是气核体积分数，psat为LNG的饱和蒸气压，计算参数如下：

3 结果讨论

图4和图5分别为液化天然气介质在LNG超低温球阀管道内部的速度云图和压力云图。随着质量流量的增加，LNG在球阀管道中的速度越来越大，产生的压降也越来越大。前后阀座以及球体位置的阶梯槽结构内部，LNG的速度比较低，内部的压力也比较低。而在焊接法兰位置产生的阶梯槽附近，LNG的压力非常低，速度却非常高，这种情况下，是非常容易产生空化现象的。

图6为四种工况所对应的LNG体积分数。在LNG超低温球阀管道中的大部分位置，LNG的体积分数几乎全部为1,但是在图上用圆圈标记出来的位置，也就是焊接法兰位置的缩口处，LNG的体积分数明显低于1,说明此处确实是发生了空化现象。特别是在Q=615.25 kg/s的情况下，此时的管道前后压差也非常大，空化现象非常明显。

图4 速度云图 

图5 压力云图 

图6 LNG的体积分数云图 

为了更好地确定LNG超低温球阀内部LNG发生空化的具体位置，对流场中的天然气体积分数为10%的区域进行提取，如图7所示。LNG超低温球阀管道内部空化发生的位置主要位于焊接法兰附近的缩口处，并且进口处的空化要比出口处的空化现象更加严重。另外，随着LNG流量的增加，阀座的阶梯槽附近也逐渐开始出现空化现象，所以在LNG超低温球阀的使用过程中，应当避免出现流量和压差过大的情况。

图7 天然气10%体积分数云图  

在输送管道的过渡位置，比如焊接法兰位置、阀座附近、球体附近等，由于结构发生突变，至使LNG介质在该处的压力突然降低，导致LNG介质汽化产生空泡，并会在管道内迅速扩张。当空泡溃灭破裂时，周围LNG液体迅速填充，碰撞球阀管道壁面，形成水击。空泡的产生和破裂，还会对LNG超低温球阀形成空蚀破坏，更进一步地，可能还会产生机械振动和噪声。因此，LNG超低温球阀在使用过程中，其流量和压差都不应该太大，以减少空化现象的发生。

4 结语

超低温球阀输送LNG介质时，LNG往往会发生空化现象。本文对LNG超低温球阀中的空化现象进行了数值模拟计算，并发现，随着质量流量的增加，LNG在管道中的速度越来越大，球阀前后产生的压降也越来越大；LNG超低温球阀管道内部空化发生的位置主要位于焊接法兰附近的缩口处，并且进口处的空化要比出口处的空化现象更加严重；应当尽量降低超低温球阀的流量和压差。

参考文献

[1] 贾玉光.液化天然气外输站低温球阀的选型和应用[J].石油和化工设备，2017,20(02):41-44.

[2] 黄明亚，宋忠荣，陶国庆，等.超低温顶装式球阀研制[J].阀门，2016,(06):25-28.

[3] 赵龙龙，张翼，李靖，等.LNG用超低温球阀中腔泄压规律的试验[J].石油和化工设备，2020,23(07):81-83.

[4] ZWART P,GERBER A G,BELAMRI T.A two-phase flow model for predicting cavitation dynamics[C].Fifth International Conference on Multiphase Flow.2004.

文章来源：阀门