LNG超低溫球閥傳熱過程及熱力耦合分析.pdf

1、隨著天然氣液化技術(shù)的迅猛發(fā)展，液化天然氣（Liquefied Natural Gas）產(chǎn)業(yè)從液化、運(yùn)輸、接收站氣化到終端利用，已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，并進(jìn)入快速發(fā)展時期。目前液化天然氣(LNG)的消費(fèi)量正以每年10％的速度增長，已然成為一種被廣泛使用的清潔能源。在 LN G生產(chǎn)、接收、運(yùn)輸和氣化等裝置中，超低溫球閥對其系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有極為重要的作用。目前。LN G產(chǎn)業(yè)裝置正在朝著高參數(shù)化、大型化的方向不斷發(fā)展。然而，作為其關(guān)鍵配套

2、設(shè)備之一的LN G超低溫球閥,因在設(shè)計(jì)時缺乏理論研究和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),且在實(shí)踐使用經(jīng)驗(yàn)較少的情況下,極易出現(xiàn)冷沖擊及閥座泄漏等問題。因此關(guān)鍵設(shè)備用的LN G超低溫球閥需要通過技術(shù)攻關(guān)和研發(fā)來解決產(chǎn)品長期依賴于進(jìn)口和國產(chǎn)化難的技術(shù)問題。
　　在 LNG產(chǎn)業(yè)鏈中，LNG閥門的工作環(huán)境條件要比普通工業(yè)閥門所處的環(huán)境惡劣得多。在超低溫環(huán)境下,LNG閥門的溫度分布、低溫?zé)釕?yīng)力及材料性能都是保證閥門安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。由于溫度變化范圍很大。LN

3、 G閥門的密封性能將受到超低溫介質(zhì)的嚴(yán)重影響，因而必須要提高閥門的密封效果從而防止介質(zhì)發(fā)生泄漏。填料函的密封性能是低溫閥門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)樵诘蜏貭顟B(tài)下隨著溫度的降低，填料的彈性逐漸消失，防漏性能隨之下降。若填料函處發(fā)生泄漏將降低保冷效果，導(dǎo)致液體氣化。此外由于介質(zhì)滲漏造成填料與閥桿處結(jié)冰，影響閥桿正常操作，同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引起更為嚴(yán)重的泄漏。針對這種情況工程實(shí)際中普遍采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，其目的就是延長超低溫介質(zhì) LN

4、G與長頸閥蓋上端填料函之間的距離，從而確保填料函底部溫度始終保持在0℃以上，密封性能不受超低溫介質(zhì)的影響。與此同時，在超低溫工況下，由于超低溫介質(zhì) LN G溫度和壓力的共同影響，若長頸閥蓋與法蘭連接處發(fā)生變形，則會引起法蘭處泄露，造成重大安全事故。
　　針對以上所提出的問題，本文以工程實(shí)際中具體規(guī)格的LNG超低溫球閥為研究對象，基于傳熱學(xué)理論,建立溫度場分析的數(shù)學(xué)模型，同時結(jié)合數(shù)值模擬仿真的方法，對 LN G超低溫球閥在超低溫工況

5、下的傳熱過程和密封問題進(jìn)行了以下幾方面的研究:
　　首先，結(jié)合液化天然氣的特殊理化性質(zhì)及超低溫工況，對 LN G超低溫球閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了區(qū)別于普通球閥結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，同時通過查閱資料和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對LN G超低溫球閥關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，得到了設(shè)計(jì)參數(shù)的具體數(shù)值。
　　其次，對 LN G超低溫球閥長頸閥蓋物理模型進(jìn)行合理地簡化，以傳熱學(xué)為理論基礎(chǔ)，推導(dǎo)出導(dǎo)熱微分方程，再采用分離變量的方法求出長頸閥蓋溫度場分布的數(shù)學(xué)表

6、達(dá)式。并以此為依據(jù)推導(dǎo)出長頸閥蓋頸部長度與溫度場的關(guān)系式，在滿足閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保證填料函底部溫度在0℃以上的條件下得到長頸閥蓋頸部最小長度。
　　再次，通過理論推導(dǎo)計(jì)算出 LN G超低溫球閥長頸閥蓋在熱應(yīng)力耦合作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及變形。根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識，判斷最大應(yīng)力與材料許用應(yīng)力的關(guān)系，驗(yàn)證 LN G超低溫球閥設(shè)計(jì)強(qiáng)度的可靠性。
　　最后，考慮介質(zhì)壓力和低溫載荷共同作用對長頸閥蓋變形產(chǎn)生的影響，利用有限元數(shù)值仿真軟件 A