以实践能力提升为导向的能源与动力装备CAD课程教学改革探索

能源与动力装备CAD课程是能源与动力工程专业的核心课程之一。针对该课程教学资源不丰富、课堂研讨不深入、教学方法不得当等问题,文章提出基于产业需求设置教学内容、建立工程实践与科研训练融合的教学方法、建立提升学生实践创新能力的保障制度、构建多元化的教学评价体系等教学改革举措,以充分激发学生的学习积极性,提升学生的实践创新能力。

常压塔顶回流系统多相腐蚀流的分布规律及露点腐蚀特性预测

针对某炼化企业常压塔顶回流系统,采用AspenPlus软件构建了多组分流体相态-离子平衡模型,获得了塔顶挥发管线内腐蚀性介质HCl、H_(2)S的气液平衡分布情况,实现了塔顶管道内腐蚀流体分布量化特性预测。结果表明:随着温度的降低,水相中组分HCl、H_(2)S的摩尔流量显著增加,通过初始溶解温度确定露点温度为101.2℃,露点处pH最低可达2.59,露点腐蚀发生在塔顶出口管线附近;塔顶出口管道有3个液膜覆盖率较高的区域,分别是挥发管线入口垂直管壁、弯头内壁和水平管下壁,在露点处大部分HCl气体溶解在冷凝水汇聚成的初始液膜中,因此初始液膜汇聚的区域就是腐蚀频发的区域。

液固两相流冲洗油管道的冲蚀磨损特性数值模拟及分析

以液固两相流冲洗油管道为研究对象,采用Realizableκ-ε湍流模型、随机轨道模型,结合液固两相流冲蚀磨损试验,建立修正的冲蚀磨损数理模型,数值预测典型工况下冲洗油管道内速度、压力、冲蚀磨损率等流动参数分布情况,分析了冲蚀磨损的形成机制.研究结果表明:受曲率半径影响,冲洗油管道冲蚀磨损速率随曲率半径的增加而减小;由于颗粒惯性及管内二次流影响,弯头中间区域外侧壁面和出口直管段内侧面磨损较为严重,三通管件的最大冲蚀磨损率位于孔口处,数值预测结果与失效解剖案例吻合.本文建立的冲蚀磨损定量预测方法,适用于压力管道的风险评定及寿命预测.

基于Aspen Plus的加氢反应流出物铵盐结晶速率计算模型与分析

通过分析加氢反应流出物系统的铵盐结晶过程，建立铵盐结晶速率的计算模型，将其与AspenPlus结合进行二次开发，利用AspenPlus强大的物性数据库定量计算了反应流出物多相流体系铵盐结晶速率，并分析不同原料组成及工况下的NH4C1与NHtHS结晶速率的变化规律。结果表明，在加氢反应流出物温度较高时，铵盐结晶速率一般为0；进入冷换设备后，随反应流出物温度的降低，开始出现铵盐结晶；开始结晶时的铵盐结晶速率最大，后随着温度的降低，铵盐的结晶速率迅速降低。加氢反应流出物系统铵盐起始结晶温度随着原料油氮、氯或硫质量分数的增加而增加。加氢反应流出物系统NH4C1的起始结晶温度随系统操作压力的升高而增加，而最大结晶速率随着系统压力的升高逐渐下降，最大结晶速率一般出现在160～210℃的范围内；NH。HS的最大结晶速率一般出现在30～60℃，最大结晶速率比NH4C1高约4～5个数量级。典型案例应用表明，所建立的计算模型准确可靠。

加氢处理系统NH_4Cl结晶沉积预测及优化防控

通过热力学计算获得NH4Cl结晶反应的平衡曲线,分析冷换设备中NH4Cl结晶沉积机理;针对某石油化工厂典型加氢反应流出物冷却分离工艺,运用Aspen仿真软件建立多相平衡体系,计算获得气相中Kp即pHCl×pNH3随温度的变化曲线;结合二者建立加氢反应流出物冷却分离系统NH4Cl结晶预测模型,计算获得含不同N、Cl质量分数进料的NH4Cl结晶温度,并提出基于NH4Cl结晶沉积预测的冷却分离系统注水优化方案。结果表明,冷换设备中NH4Cl结晶沉积存在自加速过程,典型工况下NH4Cl结晶温度在155~205℃范围,主要发生在热高压分离高压换热器和空冷器内;根据进料N、Cl的质量分数预测NH4Cl结晶温度,并及时移动注水位置和调节注水量,可有效防止NH4Cl结晶沉积及垢下腐蚀。

加氢空冷器腐蚀产物漂移特性的数值模拟与分析

分析加氢反应流出物空冷器(Reactor effluent air coolers,REAC)系统的工艺关联过程,揭示空冷器内NH4Cl、NH4HS及FeS等腐蚀产物的形成机理,建立腐蚀产物漂移沉积的数理模型;采用Mixture多相流模型和DPM(Discrete phase model)模型,模拟流动环境下加氢REAC系统中腐蚀产物的漂移沉积特性。结果表明,加氢REAC系统入口法兰处的结构突变,加剧了壁面边界层的紊动状态,气、液相间产生剪切作用对颗粒相起加速拖曳作用;液相分率、颗粒停留时间分布及沉积速率应作为加氢空冷器内腐蚀产物漂移沉积预测的关键参数,液相分率低、颗粒停留时间长和颗粒漂移沉积速率高的区域是出现腐蚀产物堵塞管束的高风险区域。数值预测的结果与红外热成像测得的表面温度场和管箱开盖的解剖结果基本吻合。

液控调节阀空化与冲蚀仿真模拟与分析

基于液控调节阀的结构特性和流体物性参数,以开度40%为例建立数学模型,并采用Mixture模型和DPM(Discrete Phase Model)模型,对液控调节阀的空化和冲蚀现象进行数值模拟并分析。研究结果表明:当入口压力由4.5 MPa提高到5.5MPa时,阀芯与阀座之间的窄通道内流速变化剧烈,阀芯顶部抛物线段压力下降的区域增大,形成对称小椭圆形空化区域并脱离整个空化区域;当入口颗粒质量浓度一定时,阀芯顶部抛物线段磨损率分布趋势为:随颗粒直径的增大,磨损率先减小、后增大,然后再减小;当入口颗粒直径不变时,磨损率随入口颗粒质量浓度的增大而增大。

煤液化热高压分离器煤粉漂移特性数值模拟与优化

为揭示煤液化热高压分离器(简称"热高分")内的煤粉漂移规律,基于热高分的结构特性和多相流物性参数,建立物理模型,并采用VOF(volume of fluid)模型和DPM(discrete phase model)模型,数值分析进口液固两相中固相质量分数、颗粒粒径对煤粉漂移特性的影响。研究发现:在气液交界面处,煤粉颗粒平均质量浓度最大,并随进口固相质量分数的增加而增大;小颗粒对气流的跟随性好,故气相出口的煤粉漂移率与颗粒粒径呈负相关关系;当进口固相质量分数增大到7%以上时,对应同一颗粒粒径下煤粉漂移率基本不变。通过在热高分上部增加45°倾斜挡板,发现气相出口处煤粉漂移率从2.03%下降到0.88%。

直流式迷宫调节阀流道降压流动特性及临界空化预测

针对高降压、高速流的直流式迷宫压力调节阀阀芯内部流道空化损伤失效现象,基于临界空化压力预测方法进行流体力学计算,结合Mixture多相流中的Schnerr-Sauer空化模型和Reali-zable k-ε湍流模型,数值模拟了偶数级数2 N(N=1,2,3,4)流道在不同出口压力(0.1~0.8 MPa)下的临界空化进口压力,并分析了八级流道的压力、速度、相分率等参数的变化规律.研究结果表明:除进口级数外,流体经过垂直于进口流动方向的级数后才会产生旋涡,旋涡的产生会导致能量耗散和降压;在出口近壁面处,旋涡形成的低压区低于流体的饱和蒸气压,发生了局部空化;相同流道级数递增出口压力下的临界空化压差呈现线性函数增长趋势;相同出口压力递增流道级数下的临界空化压差呈现指数函数增长趋势.因此,可根据涡流能量耗散降压原理及临界空化线性、指数趋势线方程在改进优化迷宫流道结构设计促进涡流产生的同时选择合适的工况压力和流道级数来避免空化.

基于相似理论的REAC出口弯管冲蚀瞬态特性

针对加氢REAC系统的频繁失效问题,研究流动与腐蚀耦合作用下REAC出口弯管的冲蚀破坏机理;在确定相似准则的基础上,结合具体的工艺特性运行数据,设计模型弯管,确定实验常数,并运用环道式多相流冲蚀实验装置,进行冲蚀瞬态特性测试,结合实验过程的CFD数值模拟获取模型弯管冲蚀瞬态特性参数。实验和仿真结果表明,模型弯管出现冲蚀瞬态特性时速度为7.93m.s-1,最大剪切应力为2.21Pa;运用量纲分析法建立原型与模型冲蚀临界特性之间的数理方程,实现相似理论的求解,修正实验结果形成实际弯管的冲蚀瞬态特性参数,冲蚀剪切应力为1.79Pa,结合工程测厚验证冲蚀瞬态特性测试实验和相似理论修正结果的可靠性和准确性;研究成果可为压力管道的多相流冲蚀预测提供科学的理论依据和实验方法。

挡板倾斜角度对热高压分离器内颗粒漂移影响的数值模拟

以煤直接液化工艺过程中热高压分离器(简称"热高分")内的颗粒漂移为研究对象,建立带静态分离挡板的热高分物理模型,并采用VOF(Volume of Fluid)模型和DPM(Discrete Phase Model)模型,数值分析静态分离挡板5种倾斜角度下热高分罐内部速度场、不同液位高度颗粒平均浓度及气相出口煤粉漂移率的分布规律。研究结果表明:静态分离挡板的倾斜角度对速度场的影响明显,在挡板附近区域形成小回流涡旋效应,产生对颗粒随气流夹带提升的抑制作用;颗粒平均浓度在气-液交界面区域最高,随着热高分罐内高度的增加而逐渐降低;与其余倾斜角度相比,α=45°时气相出口的颗粒漂移率达到最小,较未设置分离挡板时,颗粒漂移率降低50%以上。研究有望为热高压分离压力容器的设计和运行优化提供参考。

基于射线衰减原理的轻重组分分离方法研究

随着劣质原油加工量的增加,我国加工原油逐渐走向劣质化和重质化。常减压装置中的原油电脱盐效果变差,给二次加工装置的防腐增加了难度。该文设计了一种基于射线衰减原理的轻重组分分离系统,可根据射线在不同组分中的衰减程度,智能化识别各个组分层的厚度。上位机根据各组分厚度来控制阀门和动力泵,实现不同组分液体的自动抽取。该方法提高了电脱盐系统脱盐脱水的效率,降低了后续过程设备的腐蚀风险,可广泛应用于炼油企业中。

一种旋转式液固两相流冲蚀磨损试验装置的研制

针对目前液固两相流冲蚀磨损试验装置存在实际冲角误差大、浆体浓度不均匀等问题,研制了一种旋转式冲蚀磨损试验装置。该装置允许的冲角范围为0°～90°,冲击速度为0～28.5m/s连续可调,利用搅拌叶片和导流槽实现不同冲击速度下浆体浓度的均匀性,具有速度稳定、可同时测试8个不同冲角下的试样、操作方便等特点。对低碳钢在不同冲击速度和冲角下的试验表明,所测得试验数据误差在6.8%以内,冲蚀磨损规律与经典结论一致。因此,该装置有望作为一种准确可靠的冲蚀磨损试验研究新平台而应用于耐冲蚀磨损优化设计和寿命预测等领域。

10^#碳钢在NH4HS溶液中的冲蚀规律

设计搭建旋转式冲蚀实验装置,采用电化学方法,针对含硫污水腐蚀体系,考察了NH4HS质量分数、介质温度、Cl-质量浓度等对典型加氢空冷器管材10#碳钢冲刷腐蚀规律的影响;结合扫描电镜(SEM)分析腐蚀产物膜形貌,揭示10#碳钢发生腐蚀的内在机制。结果表明,在质量分数5.0%NH4HS溶液中,10#碳钢表面形成致密的腐蚀产物膜;随着NH4HS质量分数的增加,腐蚀产物膜厚度增加,但出现的龟裂和疏松现象,降低了对金属基体的保护作用;随着介质温度的升高,腐蚀产物膜致密度下降,易发生脱落;腐蚀产物膜受Cl-侵蚀会成蜂窝状,流速大于3.5m/s时,10#碳钢的腐蚀速率随Cl-质量浓度的增加而迅速升高。

加氢空冷系统硫氢化铵结晶规律的数值模拟

通过对加氢空冷系统NH4HS结晶沉积机理的分析,结合物性仿真计算得到典型工况下NH4HS结晶反应的起始温度。采用HTRI软件获得空冷器管束不同位置的温度分布情况,确定开始发生NH4HS结晶反应的具体位置。通过数值模拟获得流动场、温度场和浓度场作用下的NH4HS结晶沉积规律。研究结果表明:典型工况下加氢空冷系统中发生NH4HS结晶反应的起始位置在第5/6排管束距入口5.9 m处;结晶反应速率最大值位于气相中且靠近气液界面,生成的铵盐颗粒在气相空间靠近上壁面处扩散速率最快,且易沉积于管束顶端;仿真得到最大铵盐沉积量的区域为距出口3.32 m处,与现场检测数据相吻合。研究结果可为后续铵盐沉积腐蚀的定量分析提供依据。

一种激波驱动的新型固粒冲蚀试验系统

针对目前大部分固体颗粒冲蚀试验系统存在反弹颗粒干扰、颗粒质量计算误差大等问题,采用激波驱动气固两相流的方式,并结合动态压力传感器、高速摄影仪对激波及颗粒测速的方法,设计了1种新型冲蚀磨损试验系统,具有结构简单、操作方便、颗粒质量计算准确等优点.该装置最大激波马赫数可达2.3,能将颗粒加速到200 m/s以上,适用不同颗粒、材料及表面处理试件进行15～90°冲击角下的磨损特性试验.通过SiO2颗粒对低碳钢的冲蚀试验,证实了该装置测得数据与经典试验数据规律一致.因此,本试验系统有望作为1种新的冲蚀磨损试验方法,应用于耐固粒冲蚀的优化设计和寿命预测等领域.

叶片式静态混合器多相流动特性的数值分析

基于加氢反应流出物空冷器(REAC)系统的油、气、水三相物性参数,建立了叶片式静态混合器物理模型,并采用Mixture多相流模型和Realizable k-?湍流模型进行CFD数值计算,分析叶片式混合器内多相流动特性。模拟所得到的混合器进出口压降与实验值吻合较好,验证了计算结果的可靠性。研究结果表明:在混合区域内,多相流流速提高,湍流强度明显增强,并且在最下方叶片的底部会形成较大尺度的漩涡。通过分析管道各截面的水相分率和不均匀系数φ可知,水相分率的不均匀性在混合后得到了明显改善。在2~6 m×s^(-1)的流速范围内,流速的改变不会对混合效果造成影响。采用无量纲参数λ定义混合器出口距离L与混合器长度l的比值,计算发现,当λ≥3时,流体水相分率的不均匀系数不再发生明显改变。混合器出口管道壁面会形成剪切应力较大的区域,接近碳钢材料冲蚀破坏的临界值,需考虑在混合器出口增加不锈钢衬套,防止壁面冲刷减薄。

大型双盘浮顶原油储罐密封泄漏损耗分析

针对国产化大型原油储罐双盘浮顶密封结构,研究了一、二次密封的泄漏机理,对静止储存、原油收、发的损耗进行了定量计算。分析了原油泄漏对环境的危害,提出了具体措施以减少原油储运过程中的泄漏量。

液固两相流对A182F347不锈钢材料的磨损特性

以直径为150μm的Si O2和Al2O3混合物为磨料,在自制的旋转式液-固两相流冲蚀试验装置上研究冲击角度、冲击速度及浆体浓度对奥氏体不锈钢A182F347的冲蚀规律,结合试件表面的冲蚀形貌分析,揭示稀相液固两相流体系下奥氏体不锈钢A182F347冲蚀机理。结果表明：4%~8%的浆体浓度下,冲击角度对试件的冲蚀规律近似,即在冲击角度为60°时出现磨损率峰值,峰值两侧区域磨损率逐渐降低;浆体浓度为6%,冲击速度从1.65 m/s增加至3.85 m/s时,试件磨损率呈指数增加;在高流速下,冲击角度为60°,浆体浓度小于6%时,试件磨损率受浆体浓度的影响较小,浆体浓度大于6%时,浓度越高,试件磨损率越大。在低流速下,浆体浓度大于8%时,试件磨损率受浆体浓度影响较小;A182F347的冲蚀磨损在低冲击角度下,以犁沟切削磨损为主,在高冲击角度下,以锻打变形磨损为主。建立的数学模型与试验结果较吻合。

金属硬密封球阀粗糙接触平面的密封性能研究

以煤气化系统中锁渣阀的主密封结构为研究对象,采用不可压缩平均流动模型,建立了球面缝隙流动的泄漏量模型;提出了粗糙平面下的平均泄漏量计算方法,通过等效接触方程计算粗糙平面的接触压力,揭示了球阀表面粗糙度、表面纹理结构对阀门泄漏量的影响规律,以及阀门泄漏量与密封比压的对应关系。结果表明:在满足密封的前提下,横向纹理特征所需密封比压远小于纵向纹理特征表面;密封宽度越大,所需密封比压越小;相同泄漏量情况下,高温所需的密封比压明显大于常温时的密封比压。该研究结果对工程中球阀表面加工精度、纹理结构及密封比压的选择具有一定的参考价值。