含硫天然氣井口籠套式節流閥硫沉積數值模擬研究*

李俊逸，李長俊，賈文龍，張財功，韓西成，黃永恒

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2.漢正檢測技術有限公司，四川 廣漢 618000；3.國家管網集團西氣東輸分公司，上海 200122)

0 引言

含硫天然氣集輸系統溫度、壓力的改變將引起天然氣中的硫顆粒析出，析出的硫顆粒隨天然氣運移至節流閥、分離器等元件時，硫顆粒極易在節流閥等管件處沉積[1]。硫沉積會引起集輸管道及管件的流通面積減小，導致集輸系統的輸送效率下降，甚至引起管件堵塞等生產安全事故。資料表明，含硫天然氣井口籠套式節流閥(以下簡稱籠套式節流閥)的硫沉積及堵塞問題最嚴重。普光氣田[2]籠套式節流閥的部分節流孔附近有硫沉積，部分節流孔堵塞。元壩氣田[3]籠套式節流閥的閥芯與籠套間的環形空間內出現硫沉積，并堵塞節流閥。因此，開展籠套式節流閥硫沉積問題的研究，揭示節流閥內硫沉積規律，對提高含硫天然氣集輸系統的安全高效運行水平意義重大。

針對含硫天然氣集輸系統中的硫沉積問題，目前的研究主要是基于數值模擬方法開展研究。陳磊等[4-5]采用數值模擬方法研究得到了球閥內的硫顆粒沉積率隨天然氣流速、硫顆粒粒徑增大而增大，隨球閥開度增大而減小的規律；同時，基于雷諾應力模型研究了水平彎管的硫沉積規律，發現彎管中硫顆粒的沉積率隨流速、粒徑和彎曲比的增大而增大。李德選等[6]對高含硫天然氣集輸系統開展的溫度場分析中發現，硫沉積是含單質硫天然氣與管壁的溫差引起的。葉青松[7]對普光氣田集輸系統硫沉積分析發現，籠套式節流閥的結構對硫顆粒較為敏感。王勇[8]分析了高含硫氣田集輸管道中的環壁等厚度硫沉積機理。戴穎[9]基于CFD模擬發現水平管道中顆粒的沉積率隨顆粒尺寸的增大而增大。綜上所述，在研究方法方面，現有含硫天然氣集輸系統硫沉積問題的研究主要基于雷諾應力模型與離散相模型，采用計算流體動力學方法研究球閥、彎管及直管的硫沉積規律。進一步分析現有成果，發現導致集輸系統硫沉積的原因主要包括2方面：首先，天然氣中元素硫的沉積與流動參數及顆粒尺寸有關[1]，因此，需要關注節流閥氣流進口速度、顆粒直徑等氣體介質條件對硫沉積規律的影響；其次，資料表明，部分天然氣含硫高達34.35%也未見硫堵，而個別天然氣僅含硫8.4%就發生硫堵，可見含硫量不是影響硫沉積的唯一因素[6]，而元件處的流場結構也是影響硫沉積的因素。因此，節流閥開度、節流孔直徑及閥芯內徑等結構因素也是影響硫沉積規律的關鍵因素。

然而，目前針對籠套式節流閥的研究主要是閥芯孔眼附近的沖蝕防治研究[10-12]，圍繞籠套式節流閥硫沉積的研究相對較少，對節流閥內的硫沉積規律認識不明確，難以有效指導籠套式節流閥硫沉積的主動防治。為此，本文基于雷諾應力模型(Reynolds Stress Model,RSM)、組分輸運模型及離散相模型(Discrete Phase Model,DPM)建立籠套式節流閥的硫沉積仿真模型，分析氣流進口速度、硫顆粒直徑等氣體介質條件及節流閥開度、節流孔直徑及閥芯內徑等閥門結構因素對籠套式節流閥硫沉積特性的影響。

1 數值模型及定解條件

1.1 模型假設

假設籠套式節流閥中的流動為稀疏氣固兩相流；硫顆粒為球形，且假設粒徑相同；硫顆粒主要受阻力、重力與浮力的作用，忽略顆粒間的相互作用力。

1.2 數學模型

1)連續相湍流方程

籠套式節流閥的流場復雜，考慮到RSM模型能反映湍流各向異性[9]，對伴隨固體顆粒運移沉積的復雜湍流描述較佳的優點，對連續相湍流采用RSM模型描述，其控制方程見文獻[13]。

2)離散相顆粒運動方程

采用DPM模型追蹤顆粒運動軌道，x方向上的顆粒平衡方程如式(1)所示：

(1)

式中：t為時間，s；u為天然氣速度，m/s；us為硫顆粒速度，m/s；ρ為天然氣密度，kg/m3；ρs為硫顆粒密度，kg/m3；gx為x方向的重力加速度分量，m/s2；ds為硫顆粒直徑，μm；Fx為其他力，N/kg；CD為硫顆粒阻力系數；μ為天然氣動力黏度，Pa·s；Res為硫顆粒相對雷諾數。

在采用隨機軌道模型追蹤硫顆粒的軌跡時，任意小的時間間隔內，顆粒速度表達式如式(2)所示：

(2)

式中：τs為硫顆粒松弛時間，s。

1.3 數值模擬模型及求解參數

1.3.1 物理模型及網格劃分

采用文獻[14]中的籠套式節流閥為研究對象，結構見圖1。大節流孔正對來流，直徑90 mm；小節流孔軸線垂直于來流方向，直徑20 mm；閥芯內徑130 mm。

圖1 籠套式節流閥與輔助路徑示意Fig.1 Schematic diagram of cage sleeve throttle valve and auxiliary path

為保證湍流的穩定性，在節流閥的進口與出口分別增加長度為10D的直管段(D為進出口管道直徑)。對計算域進行非結構化四面體網格劃分，并插入膨脹層以加密壁面附近的網格。圖2所示為計算域網格劃分結果。為定量分析硫沉積率，建立路徑AB見圖1。

圖2 籠套式節流閥網格模型Fig.2 Mesh model of cage sleeve throttle valve

1.3.2 定解條件與工況設定

連續相進、出口邊界條件分別選擇速度入口、壓力出口，壁面邊界采用無滑移壁面，天然氣組成見表1。

表1 天然氣組分Table 1 Components of natural gas

天然氣密度為0.754 kg/m3，動力黏度為1.72×10-5kg/(m·s)，采用文獻[3]的方法試算得到顆粒質量流量為2×10-4kg/s。硫顆粒由面射流源加載，密度為2 046 kg/m3。根據文獻[15]研究成果，設定硫顆粒粒徑在10～100 μm之間，硫顆粒松弛時間為3.1×10-4～3.1×10-2s。對本文討論的粒徑，硫顆粒的阻力系數在2.149～25.753之間。固體壁面采用捕捉邊界，在進、出口邊界處采用逃逸邊界。根據《高含硫化氫氣田地面集輸系統設計規范》[16]，取氣流進口速度為3，4，5，6 m/s。設定閥門開度20%～80%，大節流孔的孔徑70～110 mm，閥芯內徑110～150 mm。數值模擬工況設定如表2。

表2 數值模擬工況Table 2 Conditions of numerical simulation

2 結果討論

2.1 網格無關性驗證與模型驗證

圖3所示為40%開度的網格無關性驗證結果。當網格數量為686 230，823 628，957 580時，路徑AB的沉積率計算結果差異不大。因此，開度40%的計算域網格數量為686 230。采用同樣的方法，得到20%、60%、80%開度的網格數量分別為684 199，688 486，690 880。

圖3 網格無關性驗證Fig.3 Mesh independence verification

目前，由于籠套式節流閥結構及閥內硫沉積情況復雜，缺乏關于籠套式節流閥的硫沉積實驗數據。因此，為了驗證本文所建立的模型，首先，以節流閥的閥系數為依據，采用文獻中的實驗數據[17]，驗證模型對流場的預測精度。圖4所示為閥系數模擬結果與文獻實驗數據對比。研究表明，模型的計算值與實驗值[18]的最大偏差為2.8%。其次，現場的籠套節流閥硫沉積圖與模擬結果的對比見圖5，分析可知，模擬得到硫沉積的位置在節流孔附近，與實際情況相符。以上2方面分析，說明本文建立模型的適用性。

2.2 流場分析

圖6(a)～(c)所示為40%開度、氣流進口速度為4～6 m/s時的速度云圖。分析可知，閥門開度相同時，含硫天然氣在經過節流孔后，速度分布規律保持一致，氣流進口速度越大，節流孔后速度越大。圖6(b)、圖6(d)～(f)所示為進口速度為5m/s時，不同開度的籠套式節流閥速度云圖。直管段的速度分布較均勻，當流體流經閥芯時速度變化較大。閥門開度小時，節流孔后出現速度極大值，節流閥開度增加，節流孔后速度極大值減小。這一規律符合Bernoulli原理，說明了本文所建模型的正確性。

圖6 不同進口速度與開度下的速度云圖Fig.6 Velocity nephograms under different inlet velocities and openings

2.3 顆粒沉積規律分析

圖7所示為40%開度時不同氣流進口速度下的沉積云圖。在氣流進口速度從3 m/s逐漸增加到6 m/s的過程中，正對來流的節流孔外側下緣首先出現硫沉積，隨著流速逐漸增大，在閥芯內側及閥套邊緣處也逐漸出現了沉積，而節流孔外側下緣的沉積情況變化不大。

圖7 不同氣流進口速度下的沉積云圖Fig.7 Deposition nephograms under different airflow inlet velocities

出現上述現象的原因是節流孔外側下緣出現了氣流的回流，氣流進口速度的增大對該處的回流影響不大，而其余2個位置處的氣流剪切作用較強，氣流進口速度越大，氣流的剪切作用越強。

2.3.1 閥門開度的影響

圖8所示為速度為5 m/s時，不同開度下的硫沉積云圖。當閥開度為20%時，路徑AB的沉積率最大值出現在距大節流孔下緣約30 mm處，開度為40%、60%、80%時的規律相同。開度增大，正對來流的節流孔外側下緣的沉積情況變化不大，這可能因為開度對正對來流節流孔外側下緣的流場影響不顯著；閥芯內側及閥套邊緣的沉積分別逐漸加劇、消失，這可能是因為在同一氣流進口速度下，開度越大，硫顆粒與閥芯內側、閥套邊緣的接觸幾率分別增大、減小所致。

圖8 不同開度下的沉積云圖Fig.8 Deposition nephograms under different openings

為了進一步定量分析閥門開度對正對來流的節流孔外側下緣位置沉積情況的影響，對比不同開度下沿路徑AB的最大沉積率變化規律，如圖9所示。分析可知，在相同的氣流進口速度下，節流閥開度越大，沉積率越小。從氣固兩相流的角度分析，這是因為閥門開度越大，該位置的回流衰減，導致硫顆粒運移至該位置并與閥芯碰撞并沉積的機率減小。以氣流進口速度為5 m/s為例，40%開度的沉積率較20%下降1.98%，60%開度的沉積率較40%下降3.27%，80%開度的最大沉積率較60%下降5.62%，可見，開度越大，節流閥最大沉積率下降速率越快。

圖9 不同開度下最大沉積率變化Fig.9 Variation of maximum deposition rate at different openings

2.3.2 硫顆粒直徑的影響

圖10所示為硫顆粒粒徑與沉積率的關系。以40%開度為例，硫顆粒粒徑由20 μm增加至30 μm時，沉積率增加4.57%；粒徑由90 μm增加至100 μm時，沉積率增加9.33%。因此，在同一開度下，粒徑增大，節流孔附近的硫顆粒沉積率逐漸增大。這可能是因為硫顆粒在節流閥處的沉積主要受重力作用的影響，硫顆粒的重力隨粒徑的增大而增大，硫顆粒的慣性更大，因此，硫顆粒隨氣流運動至節流閥內的幾率增大，從而硫顆粒與閥芯以及內壁發生碰撞并沉積的幾率增大，這個規律與文獻[4]中得到的規律一致。

圖10 硫顆粒粒徑對沉積率的影響Fig.10 Influence of sulfur particle diameter on deposition rate

2.3.3 孔徑的影響

圖11所示為節流孔直徑與硫沉積率的關系。分析可知，在同一節流孔孔徑下，路徑AB上的沉積率呈先增大后減小的變化規律。而且，節流孔直徑越大，路徑AB上的最大沉積率越小。可能的原因是在相同開度下，孔徑越大，正對來流的節流孔外側下緣壁面對硫顆粒的阻礙作用越小，硫顆粒容易被天然氣氣流帶入節流閥，而不在該位置沉積。

圖11 不同節流孔直徑對沉積率的影響Fig.11 Influence of different orifice diameters on deposition rate

圖12所示為路徑AB上的最大沉積率隨孔徑的變化。分析可知，孔徑增大，節流閥的最大沉積率近似以7.8×10-5kg/(m2·mm)的平均速率下降。當孔徑由70 mm增加至80 mm，最大沉積率下降57.48%，當孔徑由90 mm增加至100 mm時，最大沉積率下降12.10%。

圖12 節流孔直徑與最大沉積率的關系Fig.12 Relationship between orifice diameter and maximum deposition rate

2.3.4 閥芯內徑的影響

圖13所示節流閥閥芯直徑與最大沉積率的關系。分析可知，閥芯內徑增大，路徑AB上的硫顆粒最大沉積率近似以7.4×10-5kg/(m2·mm)的平均速率下降。當閥芯內徑由120 mm增加至130 mm時，最大沉積率下降17.49%，當閥芯內徑由130 mm增加至140 mm時，最大沉積率下降30.33%。這可能是因為內徑增大，節流孔前速度增大，氣流對顆粒的沖刷作用加強導致。

圖13 閥芯內徑與最大沉積率的關系Fig.13 Relationship between inner diameter of valve core and maximum deposition rate

3 結論

1)籠套式節流閥的硫沉積主要出現在3個位置：正對來流的節流孔外側下緣、閥套邊緣以及閥芯內側，其中，正對來流的節流孔外側下緣對硫沉積率最敏感。開度增大，正對來流的節流孔外側下緣沉積情況變化不大，而閥芯內側及閥套邊緣的沉積分別加劇、消失。

2)同一開度下，氣流進口速度增大，正對來流的節流孔外側下緣的沉積率呈先增大后減小的變化趨勢，節流閥氣流進口速度在5 m/s時，沉積率達到最大。

3)正對來流的節流孔外側下緣的沉積率與粒徑呈正相關，與閥門開度、節流孔孔徑、閥芯內徑呈負相關，其中，隨節流孔孔徑與閥芯內徑增大，最大沉積率近似以7.8×10-5、7.4×10-5kg/(m2·mm)的平均速率下降。