LPG站集合管內(nèi)空化現(xiàn)象分析

喬偉彪 馬貴陽(yáng)

(1.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 華東分院，江蘇 南京 210042;2.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

0 引言

某石化公司到某液化氣公司只有兩條管道，需要輸送不同的介質(zhì)到不同的儲(chǔ)罐，因此需要進(jìn)行介質(zhì)的匯集與分流，集合管起到了關(guān)鍵的作用[1]。在不同的工況下，壓力會(huì)隨著不同管徑的變化而變化。當(dāng)壓力降低時(shí)，管中輸送的不同介質(zhì)飽和蒸汽壓就有一部分要汽化，產(chǎn)生小氣泡，當(dāng)這些小氣泡匯集到一起，由于撞擊潰滅時(shí)，在管中產(chǎn)生局部高壓和高溫[2－3]，對(duì)集合總管和各個(gè)支管造成了很大的局部應(yīng)力變形，容易產(chǎn)生沙眼，如果巡檢人員不注意觀察的話，就會(huì)造成很嚴(yán)重的后果。因此研究集合總管內(nèi)的流場(chǎng)以及流場(chǎng)的壓力分布、速度分布、汽化量的多少，這對(duì)于該液化氣公司操作人員來(lái)說(shuō)具有至關(guān)重要的作用。

數(shù)值方法已經(jīng)成為現(xiàn)在研究空化問(wèn)題的比較常規(guī)的方法，因此文章通過(guò)相應(yīng)的數(shù)值模擬軟件來(lái)研究集合管內(nèi)的空化現(xiàn)象，通過(guò)分析集合管內(nèi)的速度分布、汽化量、壓力分布等規(guī)律來(lái)為工程實(shí)踐提供一定的理論指導(dǎo)。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

液化石油氣在輸送過(guò)程中由于壓力的變化會(huì)產(chǎn)生氣核，這些氣核在流場(chǎng)內(nèi)的分布是不均的而且是不可凝的，因此在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)采用混合模型中的兩相流模型，同時(shí)因?yàn)樾夂瞬焕淠?，所以氣－液兩相間的滑移速度不考慮，湍流模型采用k－ε模型，因此控制方程可表示如下[4－7]。

連續(xù)性方程

式中——單位質(zhì)量的平均速度/kg·s－1;

ρm——?dú)?－ 液兩相的混合密度/kg·m－3;——由氣穴導(dǎo)致的質(zhì)量傳遞/kg。

動(dòng)量方程

式中n——相數(shù);

μm——混合物的粘度/Pa.s;

αk——第k相的體積分?jǐn)?shù);

——體積力/N;

ρk——第k相的密度/kg·m－3。

空化時(shí)氣相的輸運(yùn)方程

式中f——各相的質(zhì)量占有率;

V——速度矢量;

?！行ё儞Q系數(shù);

PC1——?dú)馀莸呐蛎浵嘧兟?

PC2——?dú)馀莸膲嚎s破裂相變率;

fV——?dú)庀嗟馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)。

湍流脈動(dòng)方程(k方程)

湍流耗散方程(ε方程)

式中GK——平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);

Gb——浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);

YM——可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張貢獻(xiàn);

μt——湍流粘度;

ui、uj——時(shí)均速度;

k——湍流動(dòng)能;

ε——湍流耗散率;

ρ——流體密度;

σk、σε——為k和 ε 方程的湍流 Prandtl數(shù);

C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=1，Cμ=0.09 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.2 物理模型及邊界條件的設(shè)定

以撫順市液化氣公司的集合總管為例進(jìn)行數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬的物理模型由三個(gè)部分組成分別是六個(gè)焊縫、集合總管、三個(gè)支管出口。物理模型見(jiàn)圖1。六個(gè)焊縫的大小采用50 mm×50 mm的規(guī)格，集合總管的豎向長(zhǎng)度設(shè)為760 mm，三條支管出口的長(zhǎng)度全部設(shè)為200 mm，而且各相鄰各支管間的距離為130 mm。集合管應(yīng)用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分且各節(jié)點(diǎn)間的距離為0.001、同時(shí)六個(gè)焊縫處也進(jìn)行同樣的處理，由計(jì)算結(jié)果可知這種對(duì)計(jì)算區(qū)域的處理能夠滿足模擬精度的要求[8－9]。圖2給出了與集合管相連的中間支管的網(wǎng)格放大圖。在進(jìn)行數(shù)值模擬研究時(shí)，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散處理，且在求解器中殘差曲線的精度設(shè)為0.001。模擬的邊界條件設(shè)定為壓力入口以及壓力出口[10－11]。

圖1 集合管三維物理模型沿Z軸切面圖

圖2 模擬計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格局部放大圖

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 不同的入口壓力對(duì)集合管內(nèi)空化的影響

圖3表示在相同的出口壓力以及不同入口壓力下，中間支管的氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。分析圖3可知隨著入口壓力的增加，空化率逐漸增加且體積分?jǐn)?shù)的峰值逐漸右移，空化核心區(qū)的氣含率也隨著增大，在出口壓力一定時(shí)，空化強(qiáng)度隨著入口壓力的增加而增加;圖4表示在相同的出口壓力以及不同入口壓力下，中間管路的壓力分布云圖，分析圖4可知，中間支管的壓力分布逐漸降低，因此這一部分LPG汽化，形成許多不可凝的小氣核，所以形成了圖3所示的空化區(qū)。

2.2 不同的出口壓力對(duì)集合管內(nèi)的空化影響

圖5表示在不同的出口壓力下，氣相體積分布云圖。分析圖5可以看出空化區(qū)主要集中的管壁處，這是因?yàn)楫?dāng)LPG液體流經(jīng)中間管路時(shí)，主要是撞擊到管壁上的液體分子的能量降低，導(dǎo)致壓力和速度都降低，所以在管壁的兩側(cè)的壓力要低于LPG液體的飽和蒸汽壓，所以空化區(qū)域集中在管壁處，且隨著出口壓力的逐漸降低，中間管路的空化面積逐漸增加;圖6表示在不同的出口壓力下，中間管路湍動(dòng)能分布云圖，分析圖6可知在焊縫處的湍動(dòng)能由小變大。

圖3 氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖4 中間管路壓力分布云圖

圖5 氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖6 中間管路湍動(dòng)能分布云圖

2.3 不同的支管管徑對(duì)集合管的空化影響

圖7表示在不同支管管徑的情況下，氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。分析圖7可知當(dāng)支管管徑為200 mm時(shí)，主要的空化區(qū)域?yàn)楣艿郎媳趦?nèi)側(cè)，而下部產(chǎn)生的氣核則很少，這主要是因?yàn)樯喜康拇蟛糠謿怏w分子的能量都很低，與管壁所致;當(dāng)管徑是150 mm時(shí)，管道上壁內(nèi)側(cè)和下壁內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的氣核差別不大，空化數(shù)基本相等，這主要是因?yàn)橐夯蜌庠谶@個(gè)支管上能量很低的氣體分子很少，也就是說(shuō)管徑的變化成為主要因素，其他的影響因素不大;當(dāng)管徑是90 mm時(shí)，由于管道下壁內(nèi)側(cè)分子要受到管壁的撞擊，所以能量會(huì)降低，因此管道下壁內(nèi)側(cè)空化數(shù)會(huì)多;圖8表示在不同支管管徑的情況下，系統(tǒng)的氣相體積分?jǐn)?shù)分布散點(diǎn)圖，分析圖8可知空化區(qū)域主要集中在0.25 m到0.45 m之間，這是因?yàn)樵谶@段管道上，壓力低，汽化所需要的能量多。

圖7 氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖8 氣相體積分?jǐn)?shù)散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

在其它條件不變的情況下，入口壓力越高，空化數(shù)越小，氣含率越高，湍動(dòng)能越高;在其它條件不變的情況下，出口壓力越高，空化數(shù)越大，氣含率越低，湍動(dòng)能就越低;在其他條件不變的情況下，管道的管徑越大，空化強(qiáng)度越高，空化數(shù)越小，氣含率越高，湍動(dòng)能越高。因此在液化石油氣的輸送過(guò)程中，應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)上述的情況，應(yīng)該盡量避免空化現(xiàn)象的發(fā)生，可使管線使用壽命增加。

[1]Flint E B，SUSLICK K S.The Temperature of Cavitation[J].Science，1991，(253):1397 －1399.

[2]V.S.Moholklar，A.B.Pandit.Modeling of hydrodynamic cavitation reactors:a unifiedapproach[J].Chemical Engineering Sciences，2001，(56):6295 －6302.

[3]Suslick K S.Sonochemistry[J].Science，1990，(247):1439－1445.

[4]魏群，高孟理.水力空化及其研究進(jìn)展[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，13(4):22 －25.

[5]李根生，沈曉明，施立德，等.空化和空蝕機(jī)理及其影響因素[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1997，21(1):97－102.

[6]高秋生.對(duì)液體空化機(jī)理的進(jìn)一步探討[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999，27(5):63 －67.

[7]黃繼湯.空化與空蝕的原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，1991.

[8]李常，王亞男，梁武科，等.基于兩種湍流模型的某風(fēng)機(jī)專用翼型數(shù)值研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009(9).

[9]尹芳芳，張志昌，曹偉濤.設(shè)有摻氣挑砍的臺(tái)階式溢洪道的三維數(shù)值模擬[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010(4).

[10]趙萬(wàn)里，劉沛清，等.Gurney襟翼對(duì)風(fēng)力機(jī)流動(dòng)控制的數(shù)值研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011(9).

[11]馬騰，劉文洪，等.基于MIKE3的水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)模擬研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009(2).