含煤粉的煤層氣T型管道顆粒分布特性

鞏 孟，張 琰，王 玥，李 博，殷 慧（中國石油大學（北京），北京 102249）

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含煤粉的煤層氣T型管道顆粒分布特性

鞏 孟，張 琰，王 玥，李 博，殷 慧
（中國石油大學（北京），北京 102249）

摘要：煤層氣開采過程中，煤粉不可避免地進入集輸管網，進而形成氣固兩相流動。基于湍流模型，采用FLUENT模擬軟件計算廣泛應用于煤層氣集輸管網的水平T型彎管的流場，得到氣體和煤粉的速度場分布及各出口煤粉濃度，并分析管道分支處煤粉在氣流擾動下的濃度分布，結果表明：氣流經過支管后，部分煤粉滯留于管壁，支管兩側管壁煤粉濃度相差較大，各出口煤粉排出量也存在差異。

關鍵詞：煤層氣；氣固兩相流；T型管道；流場；數值模擬

近年來，煤層氣作為一種非常規天然氣資源，愈來愈受到各國的關注［1］。據統計，我國煤層氣儲量居世界第3位，其儲量與天然氣相當［2，3］。由于煤層氣開采會破壞煤巖的完整性，使煤粉不可避免地混入煤層氣中，當煤粉粒徑小于1 mm時，可隨氣體進入地面集輸管網［4］，形成氣固兩相流動。當含煤粉的煤層氣流經管網中的T型彎管時，流動產生劇烈變化，氣固兩相流場和煤粉濃度等變化較大，可能導致煤粉聚集滯留管內，造成事故的發生。為此，采用數值計算方法，探討水平T型管道的氣固兩相流動特性。

1　模型建立

1.1物理模型

以水平放置的內徑為249 mm的T型管道為算例，支管與干管等徑，具體尺寸及混合物流向如圖1所示，氣相假設全是甲烷，煤粉體積分數為5×10-5。

圖1　物理模型Fig.1 Physical model

1.2數學模型

流動計算控制方程有質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，含煤粉的煤層氣流場計算不涉及熱力問題，故不引入能量方程。煤層氣在T型管道的流動屬于湍流，湍流模型采用k-ε方程。湍流脈動動能方程：

湍流動能耗散方程：

式中：GK為平均速度梯度引起的湍動能K的產生項；Gb為浮力引起的湍動能K的產生項；YM為可壓縮湍流中脈動擴張貢獻；μt為湍流粘度，Pa · s；ui、uj為時均速度，m/s；K為湍流動能，J；ε為湍流耗散率；ρ為流體密度，kg/m3；σK和 σε分別為K方程和ε方程的普朗特數；G1ε、G2ε、G3ε和Gμ為經驗常數［5］。

假設管道中煤粉顆粒為球狀，顆粒直徑為 0.1 mm，忽略顆粒間相互作用［6］；入口邊界條件為速度入口，氣固兩相均勻流入。

2　數值模擬和結果分析

2.1速度場分析

以入口速度5 m/s為例模擬計算，含煤粉的煤層氣流經分支處，由于流向改變，部分流體沿支管右壁流入，流道收縮，流速增大。流動趨于穩定后，支管左側充滿流體，但流速較小，氣體的速度等值線如圖2所示。由圖可知，為整個流場的最高速度位于支管右側，流速達到7.4 m/s，支管左側流速最小；隨著流動距離的增加，支管兩側速度互相靠攏，逐漸趨于一致。干管氣體流經支管后，氣體流速下降且形成漩渦流，此外，由于順流與單獨流的作用，支管與干管交接處出現兩個漩渦。

圖2　氣體速度等值線分布圖Fig.2 Gas velocity contour distribution map

煤粉在支管入口處流動復雜，其速度場與氣體相似，如圖3所示。

2.2分支處煤粉濃度分析

氣固兩相流經過支管后，流速發生變化，流動受到嚴重擾動且出現漩渦流，導致氣固兩相分離，部分煤粉滯留于管道內，煤粉的濃度分布如圖4所示。支管右側管壁附近為煤粉高濃度區，而支管左側煤粉濃度極低，出現“無煤粉區”。同時，由于干管后端流速減小，管壁處煤粉沉積進而產生高濃度區。

圖3　煤粉速度等值線分布圖Fig.3 Pulverized coal velocity contour distribution map

圖4　煤粉濃度分布圖Fig.4 Coal dust concentration distribution map

2.3各出口煤粉濃度分析

圖5　各出口煤粉濃度沿徑向分布圖Fig.5 Distribution map of coal dust concentration along radial direction in each outlet

T型管中兩相流動穩定后，雖然管中滯留部分煤粉，但高濃度區的煤粉仍保持流動狀態，進、出口煤粉質量守恒。以入口速度5 m/s為例，出口2流出的煤粉平均體積分數是 ，占總煤粉量的51.4%，出口1流出煤粉占總量的48.6%，可見出口2流出的煤粉量略多。各出口煤粉濃度沿徑向分布曲線如圖 5所示，出口 1煤粉濃度沿徑向基本保持穩定；由于支管左側管壁附近為“無煤粉區”，右側管壁附近為高濃度區，故出口2煤粉濃度沿徑向呈現由0遞增的過程，且靠近右側管壁時煤粉濃度劇增。

3　結論及建議

3.1結 論

（1）整個流場的最大速度位于支管右側，最小速度位于支管左側，沿流動方向支管兩側的速度逐漸趨于一致；T型管道分支處存在多個漩渦流。

（2）氣固兩相流經過支管后，煤粉濃度發生變化，支管右側管壁附近為煤粉高濃度區，而支管左側煤粉濃度極低，出現“無煤粉區”。同時，由于干管后端流速減小，管壁處煤粉沉積進而也產生高濃度區。

（3）T型管中兩相流動穩定后，出口2流出的煤粉量略多于出口1。出口1煤粉濃度沿徑向基本保持穩定；由于支管左側管壁附近為“無煤粉區”，右側管壁附近為高濃度區，故出口2煤粉濃度沿徑向呈現由0遞增的過程，且靠近右側管壁時煤粉濃度劇增。

3.2建 議

采用的氣固兩相流模型中不含水，高濃度區的煤粉能順利流出，而在集輸管網至集氣站的途中由于溫度和壓力的變化，很可能析出冷凝水，使煤粉粘結于管壁處，存在腐蝕和堵塞管道的風險。因此，對于煤層氣流動變化劇烈的位置，如彎管、三通等，應當重點監護，防止事故發生。

參考文獻：

［1］錢伯章，朱建芳.世界非常規天然氣資源和利用進展［J］.天然氣與石油，2007（02）∶28-32+62.

［2］廖永遠，羅東坤.非常規天然氣資源開發的地面工程問題［J］.油氣田地面工程，2012（11）∶1-3.

［3］石藝.中國石化煤層氣勘探獲重要進展［J］.石油鉆采工藝，2010（04）∶90.

［4］王熒光，裴紅，劉文偉，李研，裴巧卉.低壓、低產煤層氣田井口集輸工藝技術［J］.石油工程建設，2010（06）∶1-6.

［5］陶文銓，編著.數值傳熱學［M］.西安∶西安交通大學出版社，2001.

［6］周軍，李曉平，林金賢，林棋，婁晨，鄧濤，宮敬.基于含煤粉的煤層氣管道管流數值模擬與分析［J］.油氣儲運，2014（04）∶395-400.

Numerical Simulation and Analysis of Pipe Flow in CBM T-Pipeline With Pulverized Coal

GONG Meng，ZHANG Yan，WANG Yue，LI Bo，YIN Hui
（China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China）

Abstract：During the development of coal bed methane （CBM），pulverized coal inevitably enters into the gathering pipe network with gas flow，which can result in gas-solid two-phase flow in the pipe.In order to research its motion law in the T-pipeline，based on the turbulence model，Fluent was adopted to simulate its flow field.The velocity fields of gas and pulverized coal and volume fraction of pulverized coal in all calculation area were obtained.The analysis results show that the maximum speed of two-phase flow is located in the right side of the branch，and gas flows faster than pulverized coal.A bit of pulverized coal is stranded in the pipeline because of the flow disturbance.Besides，the concentrations of pulverized coal in both sides of the branch are greatly different，and the discharge of pulverized coal in every exit is also slightly different.

Key words：CBM；Gas-solid two-phase flow；T-pipeline；Flow field；Numerical simulation

中圖分類號：TE 357

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0112-03

收稿日期：2015-09-20

作者簡介：鞏孟（1990-），男，陜西省咸陽市人，在讀碩士研究生，研究方向：油氣長輸管道和油氣地面工程。E-mail：gongmengmonty@126.com。