人工煤氣管道萘顆粒沉積規(guī)律研究

李 倩，吳曉南，盧泓方，余思穎，李廉卿，王鑫鑫

(1.西南石油大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；3.美國路易斯安那理工大學(xué) 非開挖技術(shù)中心，美國 洛杉磯 71270；4.中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司，河南 洛陽 471023)

0 引言

隨著天然氣取代人工煤氣成為城市燃氣的主要來源[1]，在燃氣置換過程中，大批管道因管內(nèi)堵塞嚴(yán)重而面臨更新、改造。而此前，多數(shù)城市的燃氣輸配系統(tǒng)一直采用人工煤氣作為主要氣源。由于氣體中的萘含量較多，隨著管道運行年限的增加，萘沉積量不斷增多，造成管內(nèi)有效流通面積減小，堵塞管道。因此，研究人工煤氣管道中的萘顆粒沉積對于保障置換前后人工煤氣輸配系統(tǒng)的安全運行，延長管道的使用壽命具有重要意義。

國內(nèi)外對于固體顆粒在管道內(nèi)的沉積主要采用實驗和數(shù)值模擬研究。在實驗研究方面，Sehmel[2]，Liu[3]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)固體顆粒在管道的任何面都會發(fā)生沉積，而且管道上部顆粒沉積量隨顆粒直徑增大而增大；Wood[4]和Papavergos[5]等采用實驗的方法，將顆粒的沉積區(qū)劃分為3個區(qū)域：擴散區(qū)、擴散碰撞區(qū)和慣性緩沖區(qū)，并分析出不同區(qū)域顆粒沉積的主要原因；Pui等[6]對顆粒在彎曲曲率為5.7的90°彎管內(nèi)沉積情況進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)顆粒的穿透率主要受到顆粒Stokes數(shù)的影響。在數(shù)值模擬研究方面，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)技術(shù)已經(jīng)被廣泛運用于管道內(nèi)顆粒沉積問題的研究。以數(shù)值模擬的方式，Tian[7]研究了不同的湍流模型以及壁面條件下管道內(nèi)的顆粒沉積情況，并與實驗數(shù)據(jù)進行了對比，發(fā)現(xiàn)在預(yù)測顆粒沉積中采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)要優(yōu)于采用其他模型；Mcglinchey[8]基于無滑移的顆粒相壁面邊界條件，提出了常壓下90°彎管的計算模型；陳磊[9]利用Lagrange顆粒軌道模型研究了水平彎管內(nèi)的硫沉積問題，發(fā)現(xiàn)硫顆粒在彎管中的沉積率隨流速、粒徑和彎曲比的增大而增大；Akilli等[10]在數(shù)值模擬和實驗的基礎(chǔ)上，研究了90°豎彎管向上流動的氣固兩相流動特性，數(shù)值模擬表明，粗顆粒移動到彎管產(chǎn)生的自由流中，二次流將小顆粒圍繞管周穿過無顆粒區(qū)域；Zhang等[11]提出了1種新的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠砟M彎曲管道中的顆粒沉積效率，該模型考慮了斯托克斯數(shù)、彎曲角和曲率比的影響。

針對人工煤氣管道萘沉積問題的研究，有學(xué)者[12-13]建立了燃氣管道萘堵塞的數(shù)學(xué)模型，用于確定管網(wǎng)中的萘堵塞位置，但沒有從流體動力學(xué)的角度分析造成管道內(nèi)萘沉積的原因，對萘顆粒的沉積行為以及不同入口速度、顆粒大小、溫度、壓力等因素對萘顆粒沉積的影響情況也無法做出很好的解釋。考慮到實驗研究需從輸配管道內(nèi)取出含萘堵塞物，不僅會影響輸配系統(tǒng)的正常運行，而且由于之前堵塞物的堆積而未曾發(fā)現(xiàn)的微小漏氣現(xiàn)象也會隨之出現(xiàn)，影響管道的安全運行。因此，以昆明人工煤氣管道為例，采用 Fluent 軟件的離散相模型(DPM)和雷諾應(yīng)力模型(RSM)對萘顆粒沉積問題進行數(shù)值模擬研究，預(yù)測分析萘顆粒在水平直管、水平彎管以及三通管內(nèi)的沉積規(guī)律，分析不同因素(管徑、彎曲比、管徑比、顆粒直徑、入口速度、溫度、壓力)對萘顆粒在管道內(nèi)沉積的影響情況。

1 理論基礎(chǔ)

萘顆粒析出后在人工煤氣管道內(nèi)的流動屬于氣固兩相流。目前，常用于氣固兩相流的數(shù)值模擬方法有2種：歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法[14]。歐拉-歐拉方法是將氣相和固相均視為連續(xù)相介質(zhì)，又稱“雙流體模型”，通常用于稠密氣固兩相流；歐拉-拉格朗日方法則是將氣相視為連續(xù)相，固相視為離散相，通常用于離散相體積分?jǐn)?shù)小于10%～12%的流動。考慮到萘顆粒的體積分?jǐn)?shù)低，故采用Fluent軟件中基于歐拉-拉格朗日方法的DPM模型模擬萘顆粒在人工煤氣輸配管道中的沉積規(guī)律。

1.1 連續(xù)相控制方程

Fluent軟件提供的湍流模型有：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、Spalart-Allmaras模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型以及雷諾應(yīng)力模型[14]。結(jié)合人工煤氣管道中的實際流動情況，選擇對管道內(nèi)顆粒沉積規(guī)律描述較好的RSM湍流模型為氣體湍流模型。假設(shè)管道內(nèi)的人工煤氣為不可壓縮流體，忽略體積力的影響，連續(xù)相控制方程如下：

1)基本方程

(1)

(2)

2)RSM模型輸運方程

(3)

1.2 離散相控制方程

Fluent軟件中求解離散相顆粒的運動軌道時采用積分拉式坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程。以笛卡爾坐標(biāo)系下x方向的顆粒作用力平衡方程為例：

(4)

式中：FD(u-up)為顆粒單位質(zhì)量拽力，F(xiàn)D由下式計算：

(5)

式中：u為氣體速度，m/s；up為萘顆粒速度，m/s；ρ為氣體密度，kg/m3；ρp為萘顆粒密度，kg/m3；gx為重力加速度在x方向上的分量，m2/s；Fx為作用于萘顆粒上的其他作用力，N/kg；μ為氣流的動力粘度，Pa·s；CD為萘顆粒阻力系數(shù)；dp為萘顆粒直徑，μm；Rep為相對雷諾數(shù)(萘顆粒雷諾數(shù))，其定義為

(6)

1.3 顆粒沉積率

顆粒沉積率是指單位時間內(nèi)沉積在管壁上的顆粒占單位時間進入管段顆粒的百分比，其表達式為：

(7)

式中：Ndep為壁面沉積的顆粒數(shù)目；Nin為進入管段的顆粒數(shù)目。

2 模型建立及邊界條件

2.1 研究實例

研究選取昆明人工煤氣管道為研究對象，其煤氣組分[15]參數(shù)如表1所示。

表1 昆明煤氣組分Table 1 The manufactured gas component of Kunming

同時，根據(jù)萘的物理性質(zhì)，結(jié)合人工煤氣管道具體數(shù)據(jù)，分別對萘顆粒在水平直管、水平彎管、三通管內(nèi)的沉積進行數(shù)值模擬，分析不同管徑、彎曲比、管徑比、管徑、入口速度、顆粒粒徑、溫度、壓力對萘顆粒沉積的影響情況。具體方案如表2所示。

2.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)表2數(shù)值模擬方案，分別對水平直管、水平彎管、三通管進行網(wǎng)格劃分。建立管長為L=15D的水平直管幾何模型，以z軸正方向為流向，以y軸負方向為重力方向，采用Sweep(掃描法)對全流域劃分網(wǎng)格。建立D=200 mm的水平彎管幾何模型，其中彎管彎曲比R/D分別取1，2，4，以x軸負方向為流向，以z軸負方向為重力方向，采用Sweep(掃描法)對全流域劃分網(wǎng)格，彎曲處局部加密處理。建立D=500 mm的三通管幾何模型，其中管徑比D1/D分別取0.4，0.6，0.8和1.0，以z軸正方向為流向，以y軸負方向為重力方向，采用Patch Conforming Method對全流域四面體劃分網(wǎng)格。對于近壁面，采用Standard wall functions(標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù))劃分邊界層網(wǎng)格，保證壁面區(qū)域滿足條件：(11.5～30

表2 數(shù)值模擬方案Table 2 Numerical simulation scheme

圖1 幾何模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Geometric model and mesh division

2.3 邊界條件

2.3.1 入口邊界條件

入口采用速度入口邊界，根據(jù)數(shù)值模擬方案設(shè)置管道入口處的氣流入口速度。用經(jīng)驗公式(8)和(9)計算湍流強度和水力直徑。

I=0.16(Re)-1/8

(8)

(9)

式中：I為湍流強度；Re為雷諾數(shù)；uavg為平均流速，m/s；DH水力直徑，m；ρ為氣流密度，kg/m3；μ為氣流的動力粘度，Pa·s。

對于離散相，在管道入口設(shè)置面射源，新建顆粒類型為萘顆粒，其密度為1 162 kg/m3，入射速度與入口處的氣流速度一致。管段入口處顆粒設(shè)置為escape(逃逸)。設(shè)置管道入口萘顆粒濃度[15]為92.14 mg/m3。

2.3.2 出口邊界條件

設(shè)置管道出口為出流邊界條件，出口處顆粒設(shè)置為escape(逃逸)。

2.3.3 壁面條件

壁面設(shè)置為無滑移壁面。對于離散相，在壁面上采用trap(捕捉)的邊界條件，即顆粒碰到壁面就被捕集，不再計算其運動軌跡。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 水平直管萘顆粒沉積分析

根據(jù)表2數(shù)值模擬方案，模擬分析不同影響因素下水平直管內(nèi)萘顆粒的沉積規(guī)律。不同影響因素下萘顆粒沉積率變化曲線如圖2。

由圖2可知：1)隨著顆粒直徑的增大，萘顆粒在水平直管中的沉積受重力作用的影響較大，重力作用增強，沉積在管道內(nèi)的萘顆粒數(shù)不斷增多，沉積率增大；2)隨著入口速度的增大，流體的沖刷作用越大，萘顆粒越容易隨著氣流在直管內(nèi)繼續(xù)向前流動，其沉積速度逐漸減小，沉積率逐漸下降；3)隨著溫度的升高，氣體粘度減小，氣流對萘顆粒的拖曳力變小，使得萘顆粒更容易在管內(nèi)沉積，沉積率逐漸升高；4)萘顆粒沉積率隨煤氣壓力的升高而降低，當(dāng)壓力升高時，氣流粘度相應(yīng)增大，使萘顆粒受到的浮力、拖拽力等作用力增大，氣體攜帶顆粒在直管內(nèi)運動的能力增大，萘顆粒不容易發(fā)生沉積，沉積率降低；5)管徑越大，相同壓力下流體對顆粒的攜帶能力降低，萘顆粒沉積率大。

3.2 水平彎管萘顆粒沉積分析

根據(jù)表2數(shù)值模擬方案，模擬分析不同影響因素下水平彎管內(nèi)萘顆粒的沉積規(guī)律。不同影響因素下萘顆粒沉積率變化曲線如圖3。

圖2 不同影響因素下水平直管中萘顆粒沉積率變化曲線Fig.2 The variation curves of the naphthalene particles deposition rate in the horizontal straight pipe under different influence factors

由圖3分析可得：1)隨著萘顆粒直徑的增大，重力作用力增強，水平彎管內(nèi)萘顆粒沉積率也不斷增大；2)隨著入口速度的增大，流體的沖刷作用越大，萘顆粒越容易隨著氣流在彎管內(nèi)繼續(xù)向前流動，其沉積速度逐漸減小，沉積率逐漸下降；3)隨著溫度的升高，密度減小，粘度增大，密度的降低會使萘顆粒的沉積率增大，而粘度的升高會使得沉積率降低，二者趨勢變化不同，最終導(dǎo)致萘顆粒的沉積率隨溫度的升高而增大；4)萘顆粒沉積率隨煤氣壓力的升高而降低，當(dāng)壓力升高時，氣流粘度相應(yīng)增大，使萘顆粒受到的浮力、拖拽力等作用力增大，氣體攜帶顆粒在彎管內(nèi)運動的能力增大，萘顆粒不容易發(fā)生沉積，沉積率降低；5)萘顆粒沉積率隨著彎管彎曲比的增大而升高。

3.3 三通管萘顆粒沉積分析

根據(jù)表2數(shù)值模擬方案，模擬分析不同影響因素下三通管內(nèi)萘顆粒的沉積規(guī)律。不同影響因素下萘顆粒沉積率變化曲線如圖4。

由圖4分析可知：1)隨著萘顆粒直徑的增大，重力作用力增強，三通管內(nèi)萘顆粒沉積率也不斷增大；2)隨著入口速度的增大，流體的沖刷作用越大，萘顆粒越容易隨著氣流在彎管內(nèi)繼續(xù)向前流動，其沉積速度逐漸減小，沉積率逐漸下降；3)隨著溫度的升高，密度減小，粘度增大，密度的降低會使萘顆粒的沉積率增大，而粘度的升高會使得沉積率降低，二者趨勢變化不同，最終導(dǎo)致萘顆粒的沉積率隨溫度的升高而增大；4)萘顆粒沉積率隨煤氣壓力的升高而降低，當(dāng)壓力升高時，氣流粘度相應(yīng)增大，使萘顆粒受到的浮力、拖拽力等作用力增大，氣體攜帶顆粒在彎管內(nèi)運動的能力增大，萘顆粒不容易發(fā)生沉積，沉積率降低；5)隨著三通管管徑比的增大，萘顆粒沉積率先增大而后減小。

4 結(jié)論

1)水平直管、水平彎管、三通管中的萘顆粒沉積率與顆粒粒徑、溫度成正相關(guān)關(guān)系，而與氣流入口速度、壓力成負相關(guān)關(guān)系。

2)萘顆粒在人工煤氣管道中的沉積率主要受顆粒直徑、氣流入口速度的影響，受溫度、壓力的影響較小。

3)萘顆粒的沉積率隨著水平直管的管徑增大而增大，隨著水平彎管的彎曲比增大而增大，隨著三通管的管徑比增大而先增大后減小。

4)可通過適當(dāng)增大管內(nèi)煤氣輸送速度、壓力，降低溫度來降低萘顆粒在人工煤氣管道中的沉積速度，進而減少萘顆粒沉積的發(fā)生。