Z型管內2種組分LPG順序輸送混量數值模擬

馬貴陽， 喬偉彪， 陳 揚， 杜明俊， 李朝陽

( 1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油集團工程設計有限責任公司 華北分公司，河北 任丘 066225 )

0 引言

液化石油氣長輸管線在國外應用較廣，一些發達國家通過長輸干線和支線將各個煉廠和消費城市聯系起來形成管網，成為分配燃料的重要途徑之一[1-2].隨著對清潔燃料需求的快速增長，國內生產的LPG(液化石油氣)已遠不能滿足工業和民用需要，需從國外大量進口，以往多采用低溫常壓運輸船運送至我國[3-4].伴隨國內管道事業不斷的興起，長輸液化石油氣將成為可能.由于LPG為多組分液態烷烴,且每種產品的用量常發生變化，為了最大限度提高管道利用率，需要對多組分液態烴在同一管線中順序輸送.這需要對不同液態烷烴順序輸送過程中混液體積分數及混液界面的分布規律進行深入研究[5-6].如丙烷和丁烷在順序輸送過程中，由于丁烷易氣化，形成三相混輸的復雜情況，并且丙烷和丁烷在飽和蒸氣壓、沸點、密度等方面存在很大的差異.

筆者以丁烷-丙烷順序輸送為例，利用計算流體力學中的多相流Mixture模型，編寫丁烷溫升氣化過程的傳熱傳值UDF程序，數值模擬后續丙烷與前行丁烷的順序混輸過程，分析丙烷不同入口速度、管徑、環境溫度、丁烷氣化率對Z型管下游直管段混液體積分數的影響，為實際生產提供指導.

1 數學模型及邊界條件

1.1 數學模型

采用多相流混合模型(Mixture Model)數值計算液化丙烷、丁烷及氣化丁烷的三相流動.該模型不僅適用于計算相間存在滑移速度的多相流動，還適用于有強烈耦合的各向同性和各相異性的多相流動，湍流模型采用標準的k-ε二方程.故控制方程[7-11]：

質量守恒方程為

(1)

動量守恒方程為

ρmg+F+

(2)

能量守恒方程為

(3)

1.2 邊界條件

速度入口(VELOCITY_INLET)和自由出流出口(OUTFLOW)，還有加熱管壁(JIAREWALL)和恒溫管壁 (HENGWENWALL).在GAMBIT前處理時，采用三角形網格對Z型管進行網格劃分且節點間隔數為60.

2 數值模擬及結果分析

圖1 Z字型雙彎頭管的物理模型

對幾何模型內的2種液化石油氣產品(丙烷和丁烷)的混液量進行研究.物理模型采用：2個水平直管段長度分別為3 m和5 m，2個90°彎頭和1個豎直直管段，長度為3 m.初始管內為不流動的丁烷，在外界溫度的影響下，不斷氣化，形成封閉系統的氣液兩相流動.氣化一定時間后，開始注入丙烷，實現不同組分LPG順序輸送過程.Z字型雙彎頭管的物理模型見圖1，水平直管段局部網格放大見圖2.

圖2 水平直管段局部網格放大

2.1 丙烷流速對體積分數的影響

不同丙烷入口速度下兩相組分混合界面云圖及對應的截面平均體積分數曲線分別見圖3和圖4.由圖3可以看出：在其他條件不變的情況下，隨著丙烷入口速度的增加，混合界面擾動劇烈，這是由于原Z型管內存有一部分氣化的丁烷，隨著丙烷流速的增加，后行丙烷推動丁烷氣體向前流動，在前后壓差的作用下，使丁烷氣體不斷壓縮形成具有極高湍動能的氣體分子，在后續丙烷的頂擠作用下與丁烷不斷摻混.由圖4可以看出：隨著流速的增加，下游直管段各截面丙烷平均體積分數相對增大，進一步驗證丙烷不同入口流速對混液量的影響.

圖3 不同入口速度下混合界面云圖

圖4 不同入口速度、相同氣化率下截面平均體積分數曲線

2.2 氣化時間對體積分數的影響

不同氣化時間下丙烷、丁烷混合界面分布云圖和不同氣化率、氣化時間下截面平均體積分數曲線分別見圖5和圖6.由圖5可以看出：當管外環境溫度相同時，加熱不同的時間，使管內丁烷氣化率不同，然后注入丙烷，一定時間后發現不同氣化情況下，管內丙烷、丁烷混合界面均比較平緩，未出現界面擾動現象，且丙烷集中分布在上部，丁烷在下部.這主要是由于丁烷密度高于丙烷，且下部丁烷氣化產生浮升力作用，使丙烷向上運移.隨著氣化時間的延長，兩相界面逐漸開始擾動.這是由于當丁烷氣體含量較多時，管內混合流體湍動能增大導致的.由圖6可以看出：隨著氣化率的減少，水平管段軸向距離上各截面丙烷平均體積分數逐漸增加，說明隨著丁烷氣化量的增多，混合氣體密度接近，丙烷擴散速率加快.

圖5 不同氣化時間下丙烷、丁烷混合界面云圖

圖6 不同氣化率、氣化時間下截面平均體積分數曲線

2.3 環境溫度對體積分數的影響

不同環境溫度下丙烷、丁烷混合界面云圖和下游水平管內各截面丙烷平均體積分數曲線分別見圖7和圖8.由圖7可以看出：相同時間內，隨著管外漏熱量的不同，管內丁烷氣化率不同，然后注入丙烷，一定時間后發現，下游直管內兩相混合界面隨環境溫度的升高而逐漸開始波動.這是由于在環境溫度相對較低時，相同時間，產生丁烷氣體量少，浮升力引起的湍動能小，隨著管壁溫度升高，氣相含量增多，且氣體分子運動呈不規則性，并不斷向丙烷內部擴散，降低截面丙烷體積分數.由圖8可以看出：隨著環境溫度的升高，水平直管段各截面丙烷平均體積分數逐漸遞減.這是由于環境溫度升高時，丁烷氣體量增加，除占據一定空間外，還在壓力梯度作用下逐漸向丙烷內部擴散.

圖7 不同環境溫度下混合界面云圖

圖8 不同環境溫度、相同氣化率下截面平均體積分數曲線

2.4 管徑對體積分數的影響

不同管徑下丙烷、丁烷摻混界面云圖和下游管段截面丙烷平均體積分數曲線分別見圖9和圖10.由圖9可以看出：在其他條件不變情況下，隨著管徑的增加，兩相混合界面由平緩逐漸開始擾動.這是由于丙烷在小管徑下流動軸向壓力梯度較大，迫使后續丙烷向前行丁烷契入，而隨著管徑的增大，軸向壓力變化相對平緩，削弱后續丙烷的頂擠作用，此時丙烷、丁烷密度差引起的兩相混合波動占主要地位.由圖10可以看出：隨著管徑的增加，水平直管段各截面的平均體積分數逐漸減少，進一步驗證上述原因.

圖9 不同管徑下混合界面云圖

圖10 不同管徑、相同氣化率下截面平均體積分數曲線

3 結束語

通過對LPG產品氣化順序輸送過程的數值模擬可知：丙烷入口流速、氣化時間、管壁漏熱量、管徑對LPG順序輸送混液界面影響較大.丙烷入口速度增加時，水平直管段各截面丙烷平均體積分數增加且界面分布平緩；隨著氣化率減少，水平直管段各截面丙烷體積分數增加；當環境溫度升高時，水平直管段丙烷各截面體積分數減少；管徑減少時，水平直管段各截面丙烷體積分數增加.計算結果可為工程實際提供一定的理論依據.