城市燃?xì)夤艿纼?nèi)已沉積萘顆粒的運(yùn)移規(guī)律

吳曉南 李 倩 茍珈源 胡鎂林 李 釗 廖 紅

1.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 2.云南中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦銷售公司

0 引言

由于過(guò)去長(zhǎng)期使用含有較多萘雜質(zhì)的人工煤氣，導(dǎo)致燃?xì)夤艿乐谐练e了大量的萘，成為燃?xì)夤芫W(wǎng)正常運(yùn)行的一大隱患。近年來(lái)，天然氣已逐步取代人工煤氣，成為當(dāng)前城市燃?xì)獾闹饕獊?lái)源[1]。而在天然氣置換人工煤氣的過(guò)程中，原來(lái)沉積在管道內(nèi)壁的萘?xí)恢脫Q后的天然氣吹起，并隨著天然氣的流動(dòng)在管道內(nèi)運(yùn)移，有可能導(dǎo)致氣源置換后的管道堵塞或設(shè)備損害。因此，研究氣源置換后燃?xì)廨斉涔艿乐幸殉练e萘的運(yùn)移規(guī)律，對(duì)于保障城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

研究固體顆粒在管道內(nèi)運(yùn)移沉積問(wèn)題的方法主要包括實(shí)驗(yàn)研究、經(jīng)驗(yàn)方程和數(shù)值模擬。Papavergos等[2-3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)將固體顆粒的運(yùn)移沉積劃分為3個(gè)區(qū)域，分別是運(yùn)移區(qū)、運(yùn)移碰撞區(qū)和慣性緩沖區(qū)，并指出了不同區(qū)域顆粒運(yùn)移沉積的主要原因。El-Shobokshy等[4]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，如果忽略運(yùn)移區(qū)內(nèi)布朗運(yùn)動(dòng)的作用，則該區(qū)域內(nèi)顆粒的沉積量與粒徑呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于氣固兩相運(yùn)動(dòng)中固體顆粒的沉積運(yùn)移預(yù)測(cè)一般采用經(jīng)驗(yàn)方程。Sehmel[5]在前人所做的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，擬合得到了顆粒沉積預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)方程，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)運(yùn)移區(qū)內(nèi)顆粒在頂面的沉積速率與顆粒粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而運(yùn)移碰撞區(qū)內(nèi)顆粒在頂面的沉積速率則與顆粒粒徑呈正相關(guān)關(guān)系。

氣固兩相流理論、計(jì)算流體力學(xué)以及湍流等理論的發(fā)展，為顆粒運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究提供了很大的幫助。在基于歐拉—?dú)W拉方法的氣固兩相數(shù)值模擬中，Druzhinin和Elghobashi[6]以及Fevrier等[7]將顆粒看作是連續(xù)體，研究了顆粒在湍流中的運(yùn)動(dòng)。部分學(xué)者[8-11]也對(duì)歐拉—?dú)W拉模型的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了改善，Kartushinshy等[11]提出增加升力作用和改進(jìn)曳力模型等方法可以提高歐拉—?dú)W拉模型在顆粒負(fù)載管流數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確度。在基于歐拉—拉格朗日模型的數(shù)值模擬研究中，胡大山[12]針對(duì)通風(fēng)除塵管道，利用RSM湍流模型和DPM模型模擬得到了粉塵顆粒在其中的運(yùn)動(dòng)軌跡。此外，周軍等[13]針對(duì)微細(xì)顆粒在煤層氣集輸管網(wǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)直管段和水平彎管進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了顆粒在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及管道不同運(yùn)行工況下的系統(tǒng)阻力和顆粒沉積分布規(guī)律。唐登濟(jì)[14]基于歐拉—拉格朗日模型對(duì)微觀硫顆粒在多孔介質(zhì)內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了硫顆粒在不同的氣流流速、硫顆粒粒徑、孔喉?xiàng)l件下的運(yùn)移規(guī)律。

為了保障城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的安全，筆者以置換后的昆明燃?xì)廨斉涔艿罏槔贔luent軟件，采用DPM離散相模型和RSM雷諾應(yīng)力模型模擬研究已沉積萘顆粒在管道內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律，針對(duì)燃?xì)廨斉涔艿莱Ｒ?jiàn)的水平直管、水平彎管、三通管3種管型，分析不同因素（入口速度、溫度、壓力、已沉積萘粒徑大小）對(duì)已沉積萘顆粒在置換后天然氣管道內(nèi)運(yùn)移的影響。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 氣固兩相流數(shù)值模擬方法

已沉積萘在燃?xì)夤艿纼?nèi)隨天然氣的流動(dòng)可以看作管道氣固兩相流。結(jié)合天然氣管道的實(shí)際情況，采用能夠較好描述固體顆粒在管道內(nèi)沉積運(yùn)移規(guī)律的RSM湍流模型為氣體湍流模型[15-16]。此外，廣泛應(yīng)用于氣固兩相流動(dòng)研究的數(shù)值模擬方法主要包括歐拉—?dú)W拉方法和歐拉—拉格朗日方法[15]。前者是將氣固兩相都看作連續(xù)相介質(zhì)來(lái)處理，通常用于固相體積分?jǐn)?shù)占比較大的氣固兩相流動(dòng)研究；后者則是將固相作為離散相，通常用于固相體積分?jǐn)?shù)較小（小于10%）的稀疏氣固兩相流問(wèn)題的研究。通常進(jìn)入燃?xì)夤芫W(wǎng)的萘含量不超過(guò)350 mg/m3，也就是一般不超過(guò)氣相的0.008%，故采用基于歐拉—拉格朗日方法的DPM模型來(lái)模擬已沉積萘顆粒在燃?xì)廨斉涔艿乐械倪\(yùn)移規(guī)律。

1.2 萘顆粒受力分析

對(duì)于沉積在管道內(nèi)的固體顆粒，通常以多層顆粒堆積的形式存在，在受到天然氣的沖刷作用時(shí)，顆粒受力分析主要考慮重力（Fg）、浮力（Fb）、拖曳力（FD）、升力（FL）以及顆粒與顆粒之間的范德華力（Fvw）。受力情況如圖1所示。

圖1 萘顆粒在管道內(nèi)運(yùn)移的受力分析圖

1.3 顆粒運(yùn)移率

顆粒運(yùn)移率（ ）指單位時(shí)間內(nèi)天然氣攜帶流出管道的顆粒量占流入管道顆粒量的百分比，其表達(dá)式為：

式中Nout表示天然氣攜帶流出管道的顆粒量，個(gè)/s；Nin表示進(jìn)入管道的顆粒量，個(gè)/s。

2 模型建立及邊界條件

2.1 研究實(shí)例

選取云南省昆明市由人工煤氣置換為天然氣后的燃?xì)廨斉涔艿罏檠芯繉?duì)象，由于昆明市人工煤氣的長(zhǎng)期使用，導(dǎo)致人工煤氣中的萘雜質(zhì)大量在管道內(nèi)壁沉積。該市燃?xì)夤艿垒脸练e的典型情況如圖2所示。

圖2 昆明市燃?xì)夤艿纼?nèi)萘沉積的照片

利用賽默飛質(zhì)譜—色譜分析儀檢測(cè)置換后的天然氣組成如表1所示。

表1 天然氣組成

以昆明市置換氣源后的天然氣輸配管道為研究對(duì)象，模擬已沉積萘在水平直管、水平彎管以及三通管內(nèi)的運(yùn)移情況。經(jīng)查閱《動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)》[17]，在中低壓（0.01 MPa ≤p≤0.40 MPa）燃?xì)夤艿乐校烊粴廨斔土魉贋?～25 m/s，據(jù)此設(shè)定氣流速度分別為10 m/s、15 m/s、20 m/s和25 m/s。根據(jù)置換后燃?xì)夤艿赖膶?shí)際運(yùn)行情況，確定已沉積萘運(yùn)移的數(shù)值模擬方案如表2所示。

表2 已沉積萘運(yùn)移的數(shù)值模擬方案

2.2 幾何模型

根據(jù)表2已沉積萘運(yùn)移的數(shù)值模擬方案，建立幾何模型并劃分網(wǎng)格。建立管長(zhǎng)為10 m的水平直管模型，以z軸正方向作為管道內(nèi)的氣體流向，重力則沿y軸負(fù)方向；建立進(jìn)口直管段長(zhǎng)度1 m、出口直管段長(zhǎng)度2 m水平彎管模型，以x軸負(fù)方向作為管道內(nèi)的氣體流向，重力則沿z軸負(fù)方向；建立干管長(zhǎng)為8 m、支管長(zhǎng)為4 m的三通管模型，以z軸正方向作為管道內(nèi)的氣體流向，重力則沿y軸負(fù)方向。以管徑為500 mm的水平直管、彎曲比為2的水平彎管、管徑比為1.0的三通管為例，其幾何模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

2.3 邊界條件

2.3.1 入口邊界條件

對(duì)于連續(xù)相，采用速度入口作為入口邊界條件，根據(jù)表2設(shè)置管道入口處的氣體流速。用經(jīng)驗(yàn)公式（2）、（3）來(lái)計(jì)算湍流強(qiáng)度和水力直徑。

圖3 幾何模型及網(wǎng)格劃分圖

式中I表示湍流強(qiáng)度；Re表示雷諾數(shù)；uavg表示平均流速，m/s；DH表示水力直徑，m；ρ表示氣流密度，kg/m3；μ表示氣流的動(dòng)力黏度，Pa·s。

對(duì)于離散相，置換前人工煤氣的萘主要沉積于水平直管管道底部、水平彎管彎曲處以及三通管干支管交匯處。據(jù)此，結(jié)合表2的數(shù)值模擬方案，分別以水平直管入口底部、水平彎管彎曲處、三通管干支管交匯處作為固體萘的射流源，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)入射3 000個(gè)具有相同直徑的顆粒，并設(shè)定其入射速度為0，以模擬萘在管道內(nèi)的沉積狀態(tài)。

2.3.2 出口邊界條件

設(shè)置管道出口為outf l ow，出口處顆粒為escape（逃逸）。

2.3.3 壁面條件

壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。壁面顆粒采用trap（捕捉）的邊界條件，即顆粒碰到壁面就被捕集，不再計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 管道已沉積萘顆粒運(yùn)移規(guī)律

置換后天然氣入口速度10 m/s、溫度20 ℃、壓力0.1 MPa時(shí)，水平直管、水平彎管和三通管內(nèi)已沉積萘顆粒運(yùn)移規(guī)律如圖4～6所示。

圖4 水平直管中已沉積萘顆粒運(yùn)移規(guī)律圖

圖5 水平彎管中已沉積萘顆粒運(yùn)移規(guī)律圖

圖4 -a展示了粒徑大小為0.1 mm的已沉積萘顆粒在管徑為500 mm的水平直管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖4-b展示沿著z軸距離水平直管入口不同距離處，管道內(nèi)的萘顆粒濃度分布情況。從圖4中可看出，當(dāng)氣流吹入水平直管時(shí)，已沉積萘顆粒隨氣流在管內(nèi)運(yùn)移，且運(yùn)動(dòng)速度由0 m/s不斷增大。運(yùn)移萘顆粒越靠近主流區(qū)，其速度越大。氣流攜帶萘顆粒在管道內(nèi)運(yùn)移過(guò)程中，部分顆粒會(huì)重新沉積，萘顆粒濃度隨z軸沿程方向不斷下降。

圖5-a展示了粒徑大小為0.10 mm的已沉積萘顆粒在管徑為200 mm、彎曲比為2的水平彎管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖5-b展示沿著y軸距離水平彎管彎頭不同距離處，管道內(nèi)的萘顆粒濃度分布情況。從圖5中可看出，沉積在彎管彎曲部位的萘顆粒隨著氣流的吹入，顆粒運(yùn)動(dòng)速度不斷增大，在彎曲處受離心力和運(yùn)動(dòng)慣性的作用，萘更靠近沿著天然氣流動(dòng)方向的管道外側(cè)壁運(yùn)移，而隨著顆粒離開(kāi)彎曲處，不再受到離心力的作用，顆粒也不再緊貼彎管的外壁側(cè)運(yùn)移。

圖6-a展示了已沉積顆粒粒徑大小為0.10 mm的萘顆粒在管徑為500 mm、管徑比為1.0的三通管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖6-b展示沿著x軸距離干支管交匯處不同距離處，管道內(nèi)的萘顆粒濃度分布情況。從圖6中可看出，在干管內(nèi)，在氣流的沖刷作用下，顆粒受干支管交界處氣流回流作用及拖曳力的影響，趨向于沿干、支管內(nèi)貼近干支交界一側(cè)的管道內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致顆粒運(yùn)移速度不斷增大，而在逐漸遠(yuǎn)離干支管交界處之后，氣流回流作用的影響逐漸減弱，顆粒受自身重力的影響，其運(yùn)動(dòng)速度開(kāi)始不斷減小。在支管內(nèi)靠近支管入口處，由于氣流回流區(qū)域的影響，顆粒受到回旋氣流的托舉升力作用，其運(yùn)移能力明顯增大。而隨著顆粒逐漸遠(yuǎn)離回流區(qū)，受重力和氣流阻力的影響，顆粒速度逐漸減小。

3.2 已沉積萘顆粒運(yùn)移影響因素分析

3.2.1 已沉積萘顆粒徑大小影響分析

根據(jù)表2數(shù)值模擬方案，模擬分析入口速度10 m/s、溫度20 ℃、壓力0.1 MPa，且當(dāng)已沉積萘顆粒粒徑由0.01 mm增加至0.10 mm時(shí)，在天然氣管道的不同管型內(nèi)已沉積萘的運(yùn)移情況。其模擬結(jié)果如圖7所示。

圖6 三通管中已沉積萘顆粒運(yùn)移規(guī)律圖

圖7 已沉積萘的運(yùn)移率隨顆粒粒徑的變化曲線圖

當(dāng)水平直管的管徑為500 mm時(shí)，萘的運(yùn)移率降低了24.34%。其他模擬參數(shù)不變，當(dāng)管徑由200 mm增加至500 m時(shí)，運(yùn)移率增大了6.4%。當(dāng)水平彎管彎曲比為2時(shí)，萘的運(yùn)移率降低了34.66%。其他模擬參數(shù)不變，當(dāng)彎曲比由1增加至4時(shí)，運(yùn)移率降低了33.64%。當(dāng)三通管管徑比為1.0時(shí)，萘的運(yùn)移率降低了7.58%。當(dāng)其他模擬參數(shù)保持不變時(shí)，當(dāng)管徑比由0.4增加至1.0時(shí)，運(yùn)移率增加71.37%。可見(jiàn)已沉積萘的粒徑越大，越難以隨天然氣運(yùn)移出管道，運(yùn)移率越低。隨著直管管徑和三通管徑比增大，進(jìn)入管內(nèi)的氣流量增大，氣流對(duì)沉積萘的攜帶作用不斷增強(qiáng)，運(yùn)移率增高；隨著彎管的彎曲比增大，萘在彎曲位置運(yùn)移時(shí)要經(jīng)過(guò)的距離增長(zhǎng)，運(yùn)移率降低。

3.2.2 氣流入口速度影響分析

根據(jù)表2數(shù)值模擬方案，模擬分析顆粒粒徑0.10 mm、溫度20 ℃、壓力0.1 MPa，且當(dāng)氣流入口速度由10 m/s增加至25 m/s時(shí)，在天然氣管道的不同管型內(nèi)已沉積萘的運(yùn)移情況。其模擬結(jié)果如圖8所示。

當(dāng)水平直管管徑為500 mm時(shí)，萘的運(yùn)移率增大了8.48%。當(dāng)水平彎管彎曲比為2時(shí)，萘的運(yùn)移率增加0.35%。當(dāng)三通管管徑比為1.0時(shí)，萘的運(yùn)移率降低了7.58%。可見(jiàn)氣流入口速度較大時(shí)，萘受氣流的攜帶作用增強(qiáng)，越容易改變?cè)械某练e狀態(tài)，而隨著氣流在管道內(nèi)運(yùn)移，運(yùn)移率增大。

3.2.3 已沉積萘的溫度影響分析

根據(jù)表2數(shù)值模擬方案，模擬分析入口速度10 m/s、顆粒粒徑0.10 mm、壓力0.1 MPa時(shí)，溫度因素對(duì)已沉積萘顆粒在天然氣管道的不同管型內(nèi)的運(yùn)移影響。其模擬結(jié)果如圖9所示。

當(dāng)管徑為500 mm，氣流入口速度由10 ℃增加至20 ℃時(shí)，萘的運(yùn)移率減小了2.13%，而當(dāng)氣流入口速度由20 ℃增加至25 ℃時(shí)，萘的運(yùn)移率增大了0.54%，可見(jiàn)隨著溫度的升高。當(dāng)彎曲比為2，溫度由10 ℃增加至25 ℃時(shí)，萘的運(yùn)移率減小0.22%。當(dāng)管徑比為1.0，溫度由10 ℃增加至20 ℃時(shí)，萘的運(yùn)移率減小0.04%，當(dāng)溫度由20 ℃增加至25 ℃時(shí)，萘的運(yùn)移率增加0.08%。可見(jiàn)已沉積的萘在氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的拖曳力、顆粒之間的范德華力會(huì)隨著氣體溫度的升高而增大，而各種作用的不同變化趨勢(shì)導(dǎo)致運(yùn)移率的變化趨勢(shì)不再單一。隨著溫度的升高，在水平直管道內(nèi)的已沉積萘運(yùn)移率先減小而后增加；在水平彎管內(nèi)已沉積萘的運(yùn)移率隨溫度升高而減小；在三通管道內(nèi)的已沉積萘運(yùn)移率先減小而后升高。

3.2.4 管道壓力影響分析

根據(jù)表2數(shù)值模擬方案，模擬分析氣流入口速度速度10 m/s、溫度為20 ℃、顆粒粒徑0.10 mm時(shí)，壓力因素對(duì)已沉積萘分別在天然氣水平直管、水平彎管和三通管內(nèi)運(yùn)移率變化情況。其模擬結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知：當(dāng)管徑為500 mm，壓力由0.1 MPa增加至0.4 MPa時(shí)，萘的運(yùn)移率增大了0.65%，當(dāng)彎曲比為2，壓力由0.1 MPa增加至0.4 MPa時(shí)，萘的運(yùn)移率增加0.26%。當(dāng)管徑比為1.0，壓力由0.1 MPa增加至0.4 MPa時(shí)，萘的運(yùn)移率增加0. 08%。可見(jiàn)壓力越大，萘顆粒在管中運(yùn)移率越高。這是因?yàn)楫?dāng)壓力較大時(shí)，萘顆粒在管道內(nèi)隨氣流運(yùn)移受到的阻力較小，氣流攜帶萘顆粒運(yùn)動(dòng)的能力增大，萘更容易隨著氣流運(yùn)動(dòng)運(yùn)移出在管道。

圖8 已沉積萘的運(yùn)移率隨顆粒氣流入口速度的變化曲線圖

圖9 已沉積萘運(yùn)移率隨溫度的變化曲線圖

圖10 已沉積萘運(yùn)移率隨壓力的變化曲線圖

4 結(jié)論

1）水平直管、水平彎管、三通管中已沉積萘的運(yùn)移率則與粒徑成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與壓力、氣流速度成正相關(guān)關(guān)系。

2）隨著溫度升高，水平直管、三通管中已沉積萘的運(yùn)移率先減小而后增大，水平彎管中已沉積萘的運(yùn)移率則隨之減小。

3）當(dāng)萘顆粒粒徑由0.01 mm增加到0.10 mm時(shí)，在水平直管、水平彎管、三通管內(nèi)已沉積萘運(yùn)移率的變化范圍分別為19.68%～24.34%、30.95%～42.47%、7.58%～19.78%；當(dāng)氣流速度由10 m/s增至25 m/s時(shí)，在水平直管、三通管內(nèi)已沉積萘的運(yùn)移率變化范圍分別為7.38%～8.48%、1.53%～3.54%，而在水平彎管內(nèi)，已沉積萘的運(yùn)移率變化范圍則小于1%；當(dāng)溫度由10 ℃增至25 ℃時(shí)，水平直管內(nèi)已沉積萘運(yùn)移率的變化范圍為2%，而水平彎管、三通管內(nèi)已沉積萘運(yùn)移率的變化范圍則小于1%；當(dāng)壓力由0.1 MPa增至0.4 MPa時(shí)，水平直管、水平彎管、三通管內(nèi)已沉積萘運(yùn)移率的變化范圍均小于1%。

4）萘的運(yùn)移率與水平直管管徑大小、三通管管徑比呈正相關(guān)關(guān)系，而與水平彎管彎曲比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

5）在對(duì)置換后燃?xì)夤芫W(wǎng)的萘沉積問(wèn)題進(jìn)行處理時(shí)，可以根據(jù)萘沉積預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)易出現(xiàn)沉積的管道加強(qiáng)監(jiān)控，當(dāng)管道出現(xiàn)壓損較大、燃?xì)廨斔土繙p小時(shí)，可以考慮優(yōu)先進(jìn)行管道更換。