化工装置工艺管路改造计算机模拟

摘要：针对某化工生产装置的工艺管路改造工作，文章首先利用AMESim软件进行了该装置管路中氢气流量的仿真计算，确定了合适的管路三通规格，随后又利用Gambit软件建模并且通过Fluent软件对三通内氢气流动情况进行数值模拟，根据三通内速度场分布情况验证了改造方案的可行性，取得了较好的实际效果。

关键词：管路改造；AMESim软件；CFD；数值模拟

1概述

某化工生产装置配备有一个大容积气体储罐作为原料气罐，工作介质为高纯氢气[1]，罐内氢气压力范围为1.1MPa至1.2MPa(表压)，工作温度为常温。原有工艺管路为一根DN40的不锈钢管，将罐内高纯氢气连续输送至该化工生产装置的主反应系统，如图1所示。后期由于系统改造，在主反应系统之外又新增了一套辅助反应系统，辅助反应系统的氢气供应仍借助于原有的DN40工艺管路。具体改造方案如下，在原有的DN40工艺管路上，选取合适位置加装一个三通，通过三通支路使高纯氢气分流，同时输送至主反应系统和辅助反应系统。根据工艺规程要求，主反应系统中的原料氢气流量有最低限制条件，因此，在加装三通及进行支路分流时，需要充分考虑到氢气分流对主管路流量的影响，从而设计合适的管路改造方案[2-3]。本文首先利用了比利时LMS公司的AMESim软件进行了该装置管路中氢气流量的仿真计算[4]，随后利用美国ANSYS公司的Fluent软件进行了模拟验证[5]，上述工作优化了管路改造方案，降低了施工过程中的风险成本，具有一定的参考价值。

2AMESim仿真计算

AMESim软件全称为AdvancedModelingEnvironmentforperformingSimulationofengineeringsystems，最早由1995年的法国Imagine公司推出，2007年被比利时LMS公司收购。作为一种服务于多学科领域的复杂系统建模仿真平台，AMESim软件可以建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，例如研究燃油流动、机械制动、气体冷却等元件或系统的稳态和动态性能。本研究选择了AMESim软件的7.0版开展后续研究工作。首先利用AMESim软件自带的气动模型(PneumaticModel)搭建与图1中工艺管路示意图相匹配的模型图，如图3所示。图3中的GasData作为气体定义模块，定义了一种作为全局变量的气体，本文中为氢气。图3中有3个容性元件，分别代表了气体储罐、主反应系统和辅助反应系统，分别设置了不同的压力和温度参数，确保管道内的气体因压力差而产生流动，其中主反应系统与辅助反应系统之间的压差为0，气体储罐与主反应系统之间的压差设置为0.005MPa。图3中还有3个阻性元件，用来模拟管路上截止阀的开闭状态。图3中的主管路管径设置为40mm，而三通处的支路管径作为变量，分别取值为2mm、4mm、6mm、……，直至40mm，根据实际工作经验，随着支路管径的增加，主管路的氢气流量会受到影响，为了对主管路的氢气流量变化情况进行量化评估，记录了AMESim软件仿真过程中主管路氢气流动的稳态最大值，结果如表1所示。由表1可知，随着三通支路管径的增加，主管路中的氢气流量和流速均单调下降。同时，根据工艺装置的安全要求，管路内氢气流速的安全范围为低于15m/s[6]。如果选择在主管路上安装等径三通，并且支路管径也选择为DN40的规格，最终气体储罐总排气量可达到约844Nm3/h，虽然比原工艺管路的输气量提高了约21%，但是主管路自身的氢气流量下降了约40%，不符合主反应系统的运行限制条件。综上，此次改造拟选用支路管径为DN10的异径三通，在保证支路中有一定氢气流量的同时，使主管路自身的流量波动小于3%，最大限度地降低管路改造对主反应系统的影响。

3Fluent模拟验证

为了确保此次改造方案一次成功，不留二次施工的隐患，本文还利用Fluent软件对改造三通处的氢气流动情况进行了模拟验证。首先利用面向CFD分析的前处理器GAMBIT软件进行三通的简化几何建模和网格生成，如图4所示，其中主管路通径为40mm，支路通径为10mm，建立了非等距的三角网格，尤其加密了支路处的网格，从而更加关注支路处的氢气流动情况。在求解过程中，选择了Fluent软件中的2维标准k-epsilon模型[7]，将流体类型设定为氢气，随后设置了网格图的入流方向、出流方向和边界条件等参数。求解过程如图5所示，经过约430次迭代，残差收敛，得到了三通内部氢气流动的速度等值线图，如图6所示。由图6可知，虽然在主管路上增加了三通，但是由于主管路内氢气整体流速较高，超过了12m/s，因此，在三通支路之后的主管路内氢气流量波动不大，不会对主反应系统造成不良影响，三通支路内氢气流动虽然流场不均匀，但是流速较低，流量不大，该改造方案安全可行。4结语目前，该化工生产装置的工艺管路改造工作已经按照计划方案完成，经实际运行检验，主管路改造前后的高纯氢气流量波动情况小于5%，三通支路的氢气流动稳定，且流量大于50Nm3/h，完全达到了改造工作的预期效果。在改造工作实施之前，通过计算机软件的模拟分析，能够充分论证改造工作的可行性，提高工作效率，降低改造工作中的风险成本。经过现场实施，本研究具有较好的应用和推广前景。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.氢气第2部分：纯氢，高纯氢和超纯氢：GB/T3634.2—2011[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2011.

[2]刘超，沈召斌，李伟，等.简述管道高压气密试验关键节点控制措施[J].化工管理，2020(5):40-41.

[3]李杰斌.石油化工管道设计要点分析[J].化工管理，2020(2):164-165.

[4]付永领，祁晓野.AMESim系统建模和仿真：从入门到精通[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[5]缪楚.基于FLUENT的仓泵气固两相流研究[J].化工管理，2018(11):55-57.

[6]王磊.加强氢气站消防安全措施的研究[J].化工管理，2020(25):129-130.

[7]韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT:流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

作者：岳广涛 曹建 尚宇 单位：北京航天试验技术研究所