基于Fluent?DPM的呼吸阀和连接储罐内部压力安全分析

苏晓炜 郝梦琳 盛选禹

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403011

摘 要 以呼吸阀及连接储罐系统为研究对象，采用Fluent?DPM计算方法对具体工况条件下呼吸阀吸气过程进行计算，分析罐内流体速度场分布情况和压力变化规律，并与Cradle CFD计算结果进行对比，验证计算结果的可靠性。分别对不同管径规格的呼吸阀进行计算，结果表明：呼吸阀吸气后罐内产生两个较大的漩涡，最大速度出现在偏底部位置，速度由内向外不断增大，导致储罐更容易发生吸瘪情况;选用

DN 150呼吸阀，罐内最低负压为-2 598.42 Pa，小于罐体所能承受的最大负压，罐体不会出现失稳情况。

关键词 储罐 呼吸阀 呼吸量 储罐负压 选型 Fluent?DPM

中图分类号 TQ055.8+1   文献标志码 A   文章编号 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）

作者简介：苏晓炜（1990-），工程师，从事反应堆研发设计工作。

通讯作者：盛选禹（1969-），副研究员，从事反应堆设计与仿真工作，shengxy@tsinghua?tj.org。

引用本文：苏晓炜，郝梦琳，盛选禹.基于Fluent?DPM的呼吸阀和连接储罐内部压力安全分析[J].化工机械，2024，51（3）：397-401.

常压、低压储罐在使用过程中经常会由于储罐液面的改变或者外界温度变化等原因，导致储罐内气体膨胀或收缩，储罐内气相压力随之波动，使得储罐出现超压或真空的情况，严重时会造成储罐出现超压鼓罐或低压瘪罐的情况[1]。为防止储罐出现超压或负压的失稳状态，通常通过在罐顶安装呼吸阀的方式来维持储罐内外压力的平衡。呼吸阀不仅能够在一定压力范围内将储罐与大气隔绝，而且还能在储罐内、外压差超过一定范围时，与大气相通，通过自发排气或吸气来调节储罐内外压力平衡，从而对储罐的超压或超真空状态起到调节作用。

在工艺设计中，需要根据实际运行工况确保呼吸阀有足够的呼吸量以保证储罐能够在正常压力下工作。目前，主要通过参考设备标准以及工程设计经验总结计算呼吸阀的呼吸量，但是该方法存在估算有限，无法明确呼吸阀和连接罐内压力分布情况，所考虑的影响因素与实际环境存在误差等问题。近年来，诸多学者研究了常/低压储罐氮封、呼吸阀、紧急泄放阀等压力泄放设施设定压力的确定原则以及正常工况下呼吸量的精确计算方法，提出了峰值守恒法等新的呼吸阀呼吸量计算方法[2～9];王飞和呼晓成提出，在选定呼吸阀呼吸量过程中应充分考虑气候骤变、气候缓变等气候条件的影响[10];但上述研究均未对呼吸阀使用后，储罐内的实际压力分布情况以及储罐吸瘪或膨胀的风险进行分析。郝一霖依据呼吸阀类产品的相关国家标准搭建了实验测试平台，对基于液压密封的呼吸阀进行了开启压力、呼吸量等实验测试，但未对呼吸阀所连接的储罐进行安全性分析[10]。

笔者以呼吸阀及其连接储罐系统为研究对象，采用Fluent?DPM计算方法对具体工况条件下的呼吸阀吸气过程进行流体计算，分析储罐内部流体速度场分布情况以及压力的变化规律，并与Cradle CFD计算结果进行对比，对计算结果的可靠性进行验证。通过对不同管径的呼吸阀进行计算，总结呼吸阀管径对储罐安全性的影响，为呼吸阀选型提供数据支撑。

1 呼吸阀工作原理与选型

1.1 呼吸阀工作原理

呼吸阀的内部结构由一个正压阀盘和一个负压阀盘组成。当储罐内压力和大气压力相等时，正压阀盘和负压阀盘均处于关闭状态。当储罐内压力升高到呼出压力时，正压阀盘打开，罐内气体通过呼吸阀排出，直至压力降到呼出压力以下，此时负压阀盘由于罐内正压的作用一直处于关闭状态。当储罐内压力小于吸入压力时，负压盘阀由于大气压的正压作用而打开，外界气体通过呼吸阀进入储罐，直至压力升高至吸入压力以上，在此过程中正压阀盘一直处于关闭状态。

1.2 选型方法

呼吸量是呼吸阀选型的一个重要参数。笔者依据SH/T 3007—2007《石油化工储运系统罐区设计规范》有关部分进行呼吸阀呼吸量计算。

当罐内物料闪点大于45 ℃时：

Q=V+Q（1）

Q=1.07V+Q（2）

当罐内物料闪点小于45 ℃时：

Q=V+Q（3）

Q=2.14V+Q（4）

式中 Q——呼吸阀吸气时的总呼吸量，m3/h;

Q——呼吸阀呼气时的总呼吸量，m3/h;

Q——呼吸阀吸气或呼气时，因环境变化引起的储罐呼吸量，m3/h;

V——储罐最大进料流量，m3/h;

V——储罐最大出料流量，m3/h。

呼吸阀管径d的计算式为：

d=18.81Q/u（5）

式中 Q——呼吸阀呼气和吸气时的最大呼吸量，m3/h;

u——气体流速，m/s。

通常，气体流速u选择3～5 m/s，计算得到呼吸阀管径后需向上取整，呼吸阀常用规格[11]包括

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

2 吸气过程仿真分析

呼吸阀及其连接储罐系统结构示意图如图1所示。系统工作的第1个阶段为热喷淋，将90 ℃的热水通过清洗球向储罐内喷洒，对储罐进行清洗消毒足够长的时间后停止热喷淋。第2个阶段是冷却降温，15 ℃的冷水通过清洗球喷洒储罐进行降温，与此同时罐内产生负压，当负压超过呼吸阀吸入压力后呼吸阀开始吸气平衡罐内压力。仿真采用DPM模型，罐内湿空气为连续相，清洗球注入的水滴为分散在连续相中的离散相，用欧拉-拉格朗日法求解，模拟喷淋水滴在罐内的运动过程和传热过程。

系统详细参数如下：

罐高 3.6 m

罐直径 2.85 m

罐体积 23 m3

呼吸阀直径 100/150/200 mm

清洁球直径 60.3 mm

储罐可承受最大真空度 -5 000 Pa

呼吸阀吸气压力 -500 Pa

环境温度 10 ℃

清洗温度 90 ℃

冷却温度 15 ℃

2.1 离散相传热受力分析

液滴热量传递模型为：清洗球注入储罐的水以液滴形式在储罐内扩散，所以采用DPM离散相模型来描述液滴的运动及换热过程，计算过程中忽略其表面辐射。数学模型为：

mc=hA（T-T）-h （6）

式中 Ap——离散相与连续相的接触面积，m2;

c——离散相定压比热容，J/（kg·K）;

dm/dt——液滴蒸发率，kg/s;

h——离散相传热系数，W/（m2·K）;

h——相变焓，J/kg;

m——离散相的质量，kg;

T——离散相的温度，K;

T——连续相的温度，K。

在连续相能量方程的计算中，连续相传递到离散相的热量作为能量源，式（6）中的传热系数h使用Ranz?Marshall关系式计算[12]：

Nu==2.0+0.6Redpr（7）

式中 d——离散粒径，m;

Nu——努塞尔数;

Pr——连续相的普朗特数;

Re——雷诺数;

λ——连续相的热导率，W/（m·K）。

在液滴换热过程中，液滴作用力平衡方程如下：

=F（u-u）+（8）

F=·（9）

Re=（10）

式中 C——拽力系数;

F——液滴所受曳力;

g——液滴在y方向上的重力加速度，m/s2;

Re——相对雷诺数;

t——时间，s;

u——离散相速度，m/s;

ρ、ρ——离散相、连续相密度，kg/m3;

μ、μ——离散相、连续相动力黏度，Pa·s。

由于液滴的拽力系数依赖于液滴形状，所以液滴畸变后的拽力系数[13]为：

C=C（1+2.632y）（11）

其中，y为液滴的畸变系数，C为液体为球体时的拽力系数。在无畸变（y=0）的极限条件下，得到球体的拽力系数;在最大畸变（y=1）下，得到圆盘所对应的拽力系数。本模拟采用无畸变，故C=1[14]。

2.2 仿真模型

建立仿真模型时，对整体结构进行简化，并将对流体计算没有影响以及不关注的部分省去，同时清洗球在计算过程中采用DPM模型替代。对模型进行网格划分，网格类型为多面体，仿真模型如图2所示。建立组分运输模型，储罐初始状态为90 ℃湿空气状态（空气和HO的混合态），湿空气设置为理想气体。建立DPM模型，喷淋颗粒总质量流量为6.94 kg/s，温度为15 ℃，颗粒直径为

1 mm，喷淋速度v=-1.72 m/s，v=-1.72 m/s。15 ℃的冷水喷淋入充满90 ℃湿空气的储罐内后进行换热，压力开始降低，当罐内压力降低到-500 Pa时，呼吸阀开启，吸入10 ℃的空气。呼吸阀入口设置为流量入口（mass?flow?inlet），流量为与压强相关的函数。储罐内的流动属于湍流，湍流模型选用Realizable k?ε模型，SIMPLEC算法，开启能量方程，湍流相关参数采用二阶迎风格式离散化，对储罐温度和压力进行监测，选择标准初始化解法，对整个流场区域进行初始化，完成后，设定步长并进行计算。

2.3 结果分析

对仿真结果进行后处理，分析罐内压力变化规律，图3为DN 150呼吸阀的罐内压力变化曲线。可以看出，储罐内部压力降低到-500 Pa时呼吸阀开启，吸入空气开始平衡罐内压力，当压力达到最低压力-2 598.42 Pa后开始回升，直到-500 Pa后呼吸阀关闭。储罐最低压力小于储罐可承受的负压-5 000 Pa。为验证该计算结果的可靠性，将其与相同工况下的Cradle CFD计算结果进行对比，如图3所示。可以看出，Fluent?DPM方法的计算结果与Cradle CFD计算结果接近，两者罐内压力的相对误差在10%左右，可见本文所提Fluent?DPM方法可以有效模拟出实际罐内的压力变化规律。

图4为储罐内速度流线图。可以看出，空气从呼吸阀进入储罐后产生两个较大的漩涡，最大速度出现在轮廓线的两侧和底部，并且速度由内向外不断增大，罐内压力分布情况为偏底部压力分布较低，因此更容易被吸瘪。

2.4 呼吸阀选型

分别对DN 100、DN 150、DN 200的呼吸阀进行流体计算分析，观察连接储罐内部压力变化，

不同管径规格呼吸阀所连接储罐内部压力变化曲线如图5所示。由图5a可知，对于DN 100的呼吸阀，由于呼吸阀呼吸量较小，在呼气过程中，罐内最低压力远超过罐体所能承受的最大负压，因此若选用DN 100呼吸阀，则罐体会出现被吸瘪的情况。由图3可知，对于DN 150的呼吸阀，其罐内最低负压小于罐体所能承受的最大负压，罐体不会出现失稳的情况。由图5b可知，对于DN 200的呼吸阀，由于其呼吸量较大，呼吸阀打开后很快就将罐内压力平衡为正压，但是选择DN 200的呼吸阀也是不合适的，这会导致工程成本提高，资源浪费。

3 结束语

采用Fluent?DPM方法对连接不同管径呼吸阀的储罐内压力场进行仿真分析，并与Cradle CFD所计算的同工况结果进行对比，验证了文中的仿真结果的准确性。通过仿真分析得到了呼吸阀管径对罐内压力场和罐体安全性的影响。对于储罐，若选用小管径的呼吸阀，则容易出现罐体被吸瘪的问题，若选用大管径的呼吸阀，则罐内压力在很短的时间内被平衡，资源无法被充分利用。考虑到选用不同管径的呼吸阀工程成本不同，在选用呼吸阀过程中需保证储罐在不失稳的前提下尽量选用较小管径的呼吸阀，因此选择DN 150呼吸阀。该仿真分析结果可以作为呼吸阀选型过程中的重要参考依据。

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（收稿日期：2023-05-19，修回日期：2024-05-16）