天然氣增輸器數(shù)值模擬

李朝陽， 趙興元

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041）

提高天然氣管道的輸送量可以采用增大管徑、輸送壓力、內(nèi)涂層技術(shù)及減阻劑技術(shù)［1］。增大管徑和輸送壓力的方法受到安全性及經(jīng)濟(jì)性等方面的限制［2］。大管徑管道處于湍流粗糙區(qū)，而小管徑管道處于混合摩擦區(qū)，故內(nèi)涂層技術(shù)對小管徑輸氣管道作用不大［3］。對于減阻劑技術(shù)只有大分子量的高聚物才能抑制徑向脈動，產(chǎn)生明顯的減阻效果［4］。如何在天然氣供應(yīng)充足、輸送壓力穩(wěn)定時，在原有工況條件下顯著增加天然氣的輸送量具有重要的現(xiàn)實意義。

管道增輸器是前小后大中間具有腔室、利用壁面共振原理來達(dá)到管道增輸目的的組件。由于增大管徑、輸送壓力、內(nèi)涂層技術(shù)及減阻劑技術(shù)存在一定不足，管道增輸器以其結(jié)構(gòu)簡單、無運動件、安全可靠等優(yōu)點獲得了廣泛關(guān)注。采用實驗方法對天然氣管道增輸器增輸機(jī)理進(jìn)行研究具有一定難度，數(shù)值模擬的方法可以應(yīng)用于天然氣增輸方面的研究［5］。重慶大學(xué)廖振方等［6］根據(jù)自激振蕩脈沖射流理論與壁面振動減阻理論，對管道增輸器進(jìn)行了理論和實驗的研究。但其僅限于對單一裝備結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，缺乏對比行。本文運用仿真軟件對變徑管及天然氣增輸器管道內(nèi)天然氣流動情況進(jìn)三維數(shù)值模擬，得到了不同形狀增輸設(shè)備的增輸結(jié)果。

1 控制方程

由于天然氣中的水分分布范圍較窄，為了獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，選用歐拉模型。

體積分?jǐn)?shù)方程

質(zhì)量守恒方程

其中，▽（αqρqvq）是散度，vq是q 相的速度，˙mpq為從第p 相到q 相的質(zhì)量傳遞。

動量守恒方程

連續(xù)方程

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 管道模型

變徑管為入口段管徑小，出口段管徑大，中間平滑過渡的管道裝置。增輸器與變徑管具有前小后大的相同結(jié)構(gòu)，但中間為正方形的腔室。靠近出口段為45°傾角的壁面。變徑管入口段管徑0.1m、管長0.2m，出口段管徑0.12m、管長0.2m，變徑段管長0.2m。天然氣增輸器上噴嘴管徑0.1 m、管長0.2m，腔室為0.25m×0.25m×0.225m 長方體去除半徑0.25m、高0.625m 圓錐剩余部分，下噴嘴管徑0.12m、管長0.237 5m。由于設(shè)備具有對稱性，本文僅給出中間軸向切面的計算模型圖，管道計算區(qū)域模型見圖1。

圖1 管道模型Fig.1 Pipe model

采用四面體與六面體相結(jié)合的網(wǎng)格劃法對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。變徑管劃分40 680個網(wǎng)格單元，43 584 個 節(jié) 點；增 輸 器 劃 分226 426 個 網(wǎng) 格 單元，158 868個節(jié)點。

2.2 邊界條件

選擇耦合式求解器，隱式計算方式，非定常流動，二階迎風(fēng)格式。出入口邊界條件：入口壓強(qiáng)為1 MPa，入口體積含水率為0.005，出口壓力為0.8 MPa。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 出口質(zhì)量流量及壓力

管道出口處質(zhì)量流量與總壓力見表1。由表1可知增輸器在出口處質(zhì)量流量與總壓均增加；穩(wěn)定流量14.1kg／s，穩(wěn)定總壓0.95 MPa。

表1 出口質(zhì)量流量及壓力Table 1 Flow rate and pressure of export mass

3.2 軸向切面流場圖

圖2、3為軸向切面流場圖。由壓強(qiáng)云圖可知，變徑管在變徑處壓強(qiáng)變化較大且在突擴(kuò)處存在小范圍低壓區(qū)，下游壓強(qiáng)變化不明顯；增輸器在上噴口及腔室內(nèi)壓強(qiáng)恒定，下噴口處壓強(qiáng)由0.71 MPa上升至0.795MPa，變化明顯。由速度云圖可知，在變徑處動壓由1 040降低至760，速度損失26.9%；天然氣 流 經(jīng) 增 輸 器 后 動 壓 由3 0 0減 小 至2 6 0，損 失 率13.3%，腔室碰撞壁處存在環(huán)流區(qū)。由湍動能云圖可知，天然氣流經(jīng)增輸器時湍動能變化較大。

圖2 變徑管軸向切面流場圖Fig.2 Axial plane flow of reducer tube

3.3 徑向切面流場圖

圖4為增輸器X＝0.2徑向切面流場圖。由圖4可知，變徑管徑向壓強(qiáng)、速度、湍動能等值線均呈同心圓狀分布，越靠經(jīng)管壁梯度變化越大。壓強(qiáng)從內(nèi)到外由0.798 MPa增至0.807 MPa；速度由760減至660；湍動能由6 600減至3 600。

圖3 增輸器軸向切面流場圖Fig.3 Axial plane flow increasing device

圖5為增輸器X＝0徑向切面流場。由圖5可知，在0～0.05圓形區(qū)域內(nèi)壓強(qiáng)呈同心圓分布，由0.707 4 MPa減至0.705 9 MPa，在圓范圍外壓強(qiáng)變 化不規(guī)則；速度在0～0.05內(nèi)為定值300m／s，0.05～0.075內(nèi)由300m／s劇降至60m／s，在腔室角處存在－80m／s的逆流區(qū)；圖5可知增輸器湍動能在0～0.05內(nèi)為定值800，0.05～0.075內(nèi)由800增至3 200再減至800。

圖4 變徑管X＝0.2徑向切面流場圖Fig.4 Reducer pipe X＝0.2 radial section flow chart

圖5 增輸器X＝0徑向切面流場圖Fig.5 Increasing device X＝0radial section flow chart

4 結(jié)果分析

由模擬結(jié)果知，天然氣流經(jīng)增輸器時，在碰撞壁處壓力波動較大。這是由于在腔室內(nèi)存在環(huán)流，徑向壓力分量引起振蕩腔壁面振動。與普通變徑管相比，增輸器出口處的壓強(qiáng)與入口相比有明顯的降低，湍動能變化較大；出口速度明顯降低，振蕩腔室內(nèi)壓力波動很大，從而達(dá)到增加輸氣量的目的。根據(jù)輸氣量的計算公式可知輸出壓力減小時輸氣量增加。

5 結(jié)論

（1）在碰撞壁處壓力波動較大，存在徑向環(huán)流，引起壁面的徑向振動。

（2）在相同工況條件下，天然氣經(jīng)增輸器后壓力降低，管道輸氣量顯著增加。

［1］ 李國平，劉兵，鮑旭晨，等.天然氣管道的減阻與天然氣減阻劑［J］.油氣儲運，2008，27（3）：15－21.

［2］ 閻光燦.世界長輸天然氣管道綜述［J］.天然氣與石油，2000，18（3）：9－19.

［3］ 劉雯，鄒曉波.國外天然氣管道輸送技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.石油工程建設(shè)，2005，31（3）：20－23.

［4］ 李世榮，宋艾玲，張樹軍.我國油氣管道現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.油氣田地面工程，2006，25（6）：7－8.

［5］ 盧志紅，高興坤，曹錫玲.氣侵期間環(huán)空氣液兩相流模擬研究［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：25－28.

［6］ 廖振方，陳德淑，潘志敏，等.管道增輸器的工作原理與工業(yè)應(yīng)用試驗［J］.油氣儲運，2010，29（1）：52－53.