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的迅猛發(fā)展，液化天然氣（Liquefied Natural Gas）產業(yè)從液化、運輸、接收站氣化到終端利用，已經形成了完整的產業(yè)鏈，并進入快速發(fā)展時期。目前液化天然氣(LNG)的消費量正以每年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、接收、運輸和氣化等裝置中，超低溫球閥對其系統(tǒng)的安全可靠運行具有極為重要的作用。目前。LN G產業(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，作為其關鍵配套

2、設備之一的LN G超低溫球閥,因在設計時缺乏理論研究和相關標準依據(jù),且在實踐使用經驗較少的情況下,極易出現(xiàn)冷沖擊及閥座泄漏等問題。因此關鍵設備用的LN G超低溫球閥需要通過技術攻關和研發(fā)來解決產品長期依賴于進口和國產化難的技術問題。
　　在 LNG產業(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、低溫熱應力及材料性能都是保證閥門安全運行的關鍵因素。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的嚴重影響，因而必須要提高閥門的密封效果從而防止介質發(fā)生泄漏。填料函的密封性能是低溫閥門設計的關鍵，因為在低溫狀態(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，導致液體氣化。此外由于介質滲漏造成填料與閥桿處結冰，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，引起更為嚴重的泄漏。針對這種情況工程實際中普遍采用長頸閥蓋結構，其目的就是延長超低溫介質 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的影響。與此同時，在超低溫工況下，由于超低溫介質 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，本文以工程實際中具體規(guī)格的LNG超低溫球閥為研究對象，基于傳熱學理論,建立溫度場分析的數(shù)學模型，同時結合數(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行了以下幾方面的研究:
　　首先，結合液化天然氣的特殊理化性質及超低溫工況，對 LN G超低溫球閥的結構進行了區(qū)別于普通球閥結構的特殊設計，同時通過查閱資料和相關標準對LN G超低溫球閥關鍵性結構及技術參數(shù)進行了理論計算，得到了設計參數(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行合理地簡化，以傳熱學為理論基礎，推導出導熱微分方程，再采用分離變量的方法求出長頸閥蓋溫度場分布的數(shù)學表

6、達式。并以此為依據(jù)推導出長頸閥蓋頸部長度與溫度場的關系式，在滿足閥門設計標準，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，通過理論推導計算出 LN G超低溫球閥長頸閥蓋在熱應力耦合作用下的應力、應變及變形。根據(jù)材料力學相關知識，判斷最大應力與材料許用應力的關系，驗證 LN G超低溫球閥設計強度的可靠性。
　　最后，考慮介質壓力和低溫載荷共同作用對長頸閥蓋變形產生的影響，利用有限元數(shù)值仿真軟件 A