论文总字数：18066字

摘 要

近年来，我国煤化工产业快速发展，由于其特殊性，设备中存在大量固液两相介质，由于流动介质的高流速，流体中固体颗粒的高硬度大，对设备内表面反复冲击，造成冲刷腐蚀。

本文以煤液化单元中典型装置高差压调节阀的冲刷腐蚀案例为研究对象，采用CFD（计算流体力学）模拟技术，建立高压差调节阀的几何模型，采用MIXTURE和DPM两种模型，采用湍流模型，建立液-固两相介质流动磨损物理模型，并进行流场求解，获得了高压差调节阀内部流场分布信息、固体颗粒的分布及阀内表面冲刷腐蚀速率。确定阀内冲刷腐蚀的危险区域。通过对阀内流道结构的的改变和固体颗粒特性的改变，探究不同因素对阀内表面冲刷腐蚀的影响。结果表明:在全开时，阀门最高冲刷腐蚀速率达到0.895mm/day。阀芯腐蚀主要发生在阀芯迎流面上，而阀座冲刷腐蚀主要发生在阀座的下半部分。阀芯尖端压降大，极易发生气蚀。较小的阀门开度、较小形状系数的颗粒、较高颗粒浓度、较大的阀芯角度等因素都会造成阀芯与阀座区域较高的腐蚀速率。根据所得到的腐蚀规律提出了防磨措施。本文研究内容为调节阀及其他设备的磨蚀失效预测、结构优化设计、可靠性评估等提供了技术支持。

关键词：煤液化 高压差调节阀 冲刷腐蚀 磨蚀预测

The Research on the Erosion-corrosion Rules of High Differential Pressure Control Valve under the Condition of High Velocity and High Solid Content

Abstract

In recent years, Coal liquefaction industry developed rapidly in China. Because of valve’s particularity, there are a lot of solid-liquid medium with high velocity and high hardness solid particles, which brings about erosion-corrosion.

In this thesis, the case of the erosion corrosion of high differential pressure regulating valve in typical coal liquefaction device unit will be set as the research object. CFD simulation technology，Turbulence model, mixture model and the DPM are adopted to establish liquid-solid two-phase flow medium high differential pressure valve model. By solving the model to get the internal flow field distribution and the rate of solid particle corrosion and determine the dangerous area of valve erosion corrosion. Based on the change of solid particles and characteristics of valve flow structure changes, explore different factors ’influence. The results show that the corrosion rate of small valve opening, the smaller the shape factor of particles, the larger valve angle and other factors will result in higher corrosion rate in the area of the valve and valve seat. Base on the rules of erosion, the measures of preventing corrosion are proposed. The research in this paper provides technical support for the valve and other equipment failure prediction.

Keywords: Abrasion prediction; High pressure valve; Erosion corrosion; Coal liquefaction

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状及发展趋势 1

1.2.1煤化工用调节阀的研究进展 1

1.2.2基于CFD软件的流场研究进展 2

1.2.3物料磨损机理研究 2

1.3本文研究内容 4

1.4研究思路及方案 4

1.4.1研究方案 4

1.4.2技术路线 5

第二章 煤液化单元控制阀冲刷腐蚀案例 6

2.1煤化工工艺流程 6

2.2高压差调节阀物流工艺参数 6

2.3 高压差调节阀结构及三维建模 6

2.4 高压差调节阀冲刷腐蚀实例 8

2.5本章小结 9

第三章 计算流体力学及高压差调节阀CFD模型 10

3.1计算流体力学 10

3.1.1 CFD特点 10

3.1.2 CFD流程 10

3.1.3 CFD软件离散方式 11

3.2 FLUENT 11

3.2.1FLUENT的构成 11

3.2.2 FLUENT的特点 11

3.3网格划分 11

3.3.1网格单元 11

3.3.2网格类型 12

3.3.3 网格质量 13

3.4控制方程及基本模型 13

3.4.1 基本控制方程 13

3.4.2湍流模型 14

3.4.4离散相模型 15

3.4.5磨损方程 15

3.5 边界条件 15

3.6 本章小结 16

第四章 高压差调节阀数值模拟及磨损预测 17

4.1几何模型 17

4.2定解条件 17

4.2.1 进出口边界条件 17

4.2.2 离散相 18

4.2.3混合相模型 19

4.3 离散相模型（DPM）计算结果及分析 19

4.3.1速度场与压力场 19

4.3.2湍流强度与壁面剪切力 21

4.3.3颗粒分布 22

4.3.4磨损速率分布 23

4.4 混合相（MIXTURE）计算结果及分析 25

4.4.1压力场 25

4.4.2湍流强度及壁面剪切力 26

4.4.3固相颗粒分布 27

4.5本章小结 28

第五章 冲刷腐蚀的影响因素及模拟研究 29

5.1阀门开度的影响 29

5.2颗粒特性的影响 30

5.2.1颗粒形状系数的影响 30

5.2.2颗粒浓度的影响 32

5.3入口流速的影响 32

5.4阀内件结构的影响 33

5.5调节阀入口接管的影响 35

5.6高压差调节阀的抗磨措施 36

5.7本章小结 37

第六章 总结与展望 38

6.1研究总结 38

6.2 展望 38

参考文献 40

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

能源是当代经济和社会的发展最重要的因素之一。随着我国经济的快速发展，石油需求日益增加。因而，寻找新能源，发展煤化工是可持续发展的关键^[1]，为此，我国的“十一五”规划中明确提出“发展煤化工，煤基液体燃料的发展，推进煤炭液化示范工程”，将其作为一项重要的能源工业系统建设目标^[2]。

煤液化生产处于高温、高压、高含固的复杂工况下^[4]，其规模化、集约化、大型化发展受到过程装备可靠性及操作运行适应性的严重制约^[3]，在设计煤液化用阀门时，提高阀门材料质量和增加壁厚来适应恶劣工况。但这会增加生产成本和风险。因此，研究设备的冲刷腐蚀规律，对于提高设备可靠性具有重大意义。

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1煤化工用调节阀的研究进展

煤化工用阀的特点：

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