城市燃氣管道內(nèi)已沉積萘顆粒的運移規(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.云南中石油昆侖燃氣有限公司3.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦銷售公司

0 引言

由于過去長期使用含有較多萘雜質(zhì)的人工煤氣，導(dǎo)致燃氣管道中沉積了大量的萘，成為燃氣管網(wǎng)正常運行的一大隱患。近年來，天然氣已逐步取代人工煤氣，成為當(dāng)前城市燃氣的主要來源[1]。而在天然氣置換人工煤氣的過程中，原來沉積在管道內(nèi)壁的萘?xí)恢脫Q后的天然氣吹起，并隨著天然氣的流動在管道內(nèi)運移，有可能導(dǎo)致氣源置換后的管道堵塞或設(shè)備損害。因此，研究氣源置換后燃氣輸配管道中已沉積萘的運移規(guī)律，對于保障城市燃氣輸配系統(tǒng)的安全運行具有重要的意義。

研究固體顆粒在管道內(nèi)運移沉積問題的方法主要包括實驗研究、經(jīng)驗方程和數(shù)值模擬。Papavergos等[2-3]通過實驗將固體顆粒的運移沉積劃分為3個區(qū)域，分別是運移區(qū)、運移碰撞區(qū)和慣性緩沖區(qū)，并指出了不同區(qū)域顆粒運移沉積的主要原因。El-Shobokshy等[4]進一步研究發(fā)現(xiàn)，如果忽略運移區(qū)內(nèi)布朗運動的作用，則該區(qū)域內(nèi)顆粒的沉積量與粒徑呈負相關(guān)。對于氣固兩相運動中固體顆粒的沉積運移預(yù)測一般采用經(jīng)驗方程。Sehmel[5]在前人所做的實驗基礎(chǔ)上，擬合得到了顆粒沉積預(yù)測的經(jīng)驗方程，進而發(fā)現(xiàn)運移區(qū)內(nèi)顆粒在頂面的沉積速率與顆粒粒徑呈負相關(guān)關(guān)系，而運移碰撞區(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、計算流體力學(xué)以及湍流等理論的發(fā)展，為顆粒運移規(guī)律的數(shù)值模擬研究提供了很大的幫助。在基于歐拉—歐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?？醋魇沁B續(xù)體，研究了顆粒在湍流中的運動。部分學(xué)者[8-11]也對歐拉—歐拉模型的實際應(yīng)用進行了改善，Kartushinshy等[11]提出增加升力作用和改進曳力模型等方法可以提高歐拉—歐拉模型在顆粒負載管流數(shù)值計算的準確度。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動軌跡。此外，周軍等[13]針對微細顆粒在煤層氣集輸管網(wǎng)內(nèi)的運動情況，對直管段和水平彎管進行數(shù)值模擬，得到了顆粒在管道內(nèi)的運動軌跡，以及管道不同運行工況下的系統(tǒng)阻力和顆粒沉積分布規(guī)律。唐登濟[14]基于歐拉—拉格朗日模型對微觀硫顆粒在多孔介質(zhì)內(nèi)的運移規(guī)律進行了研究，得到了硫顆粒在不同的氣流流速、硫顆粒粒徑、孔喉條件下的運移規(guī)律。

為了保障城市燃氣輸配系統(tǒng)的安全，筆者以置換后的昆明燃氣輸配管道為例，基于Fluent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)的運移規(guī)律，針對燃氣輸配管道常見的水平直管、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?。σ殉练e萘顆粒在置換后天然氣管道內(nèi)運移的影響。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 氣固兩相流數(shù)值模擬方法

已沉積萘在燃氣管道內(nèi)隨天然氣的流動可以看作管道氣固兩相流。結(jié)合天然氣管道的實際情況，采用能夠較好描述固體顆粒在管道內(nèi)沉積運移規(guī)律的RSM湍流模型為氣體湍流模型[15-16]。此外，廣泛應(yīng)用于氣固兩相流動研究的數(shù)值模擬方法主要包括歐拉—歐拉方法和歐拉—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)來處理，通常用于固相體積分數(shù)占比較大的氣固兩相流動研究；后者則是將固相作為離散相，通常用于固相體積分數(shù)較小（小于10%）的稀疏氣固兩相流問題的研究。通常進入燃氣管網(wǎng)的萘含量不超過350 mg/m3，也就是一般不超過氣相的0.008%，故采用基于歐拉—拉格朗日方法的DPM模型來模擬已沉積萘顆粒在燃氣輸配管道中的運移規(guī)律。

1.2 萘顆粒受力分析

對于沉積在管道內(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，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)運移的受力分析圖

1.3 顆粒運移率

顆粒運移率（ ）指單位時間內(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，其表達式為：

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

2 模型建立及邊界條件

2.1 研究實例

選取云南省昆明市由人工煤氣置換為天然氣后的燃氣輸配管道為研究對象，由于昆明市人工煤氣的長期使用，導(dǎo)致人工煤氣中的萘雜質(zhì)大量在管道內(nèi)壁沉積。該市燃氣管道萘沉積的典型情況如圖2所示。

圖2 昆明市燃氣管道內(nèi)萘沉積的照片

利用賽默飛質(zhì)譜—色譜分析儀檢測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)的運移情況。經(jīng)查閱《動力管道設(shè)計手冊》[17]，在中低壓（0.01 MPa ≤p≤0.40 MPa）燃氣管道中，天然氣輸送流速為8～25 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)置換后燃氣管道的實際運行情況，確定已沉積萘運移的數(shù)值模擬方案如表2所示。

表2 已沉積萘運移的數(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軸負方向；建立進口直管段長度1 m、出口直管段長度2 m水平彎管模型，以x軸負方向作為管道內(nèi)的氣體流向，重力則沿z軸負方向；建立干管長為8 m、支管長為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)驗公式（2）、（3）來計算湍流強度和水力直徑。

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表示氣流的動力黏度，Pa·s。

對于離散相，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，每個時間步長入射3 000個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，不再計算其運動軌跡。

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，水平直管、水平彎管和三通管內(nèi)已沉積萘顆粒運移規(guī)律如圖4～6所示。

圖4 水平直管中已沉積萘顆粒運移規(guī)律圖

圖5 水平彎管中已沉積萘顆粒運移規(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)的運動軌跡。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，已沉積萘顆粒隨氣流在管內(nèi)運移，且運動速度由0 m/s不斷增大。運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)運移過程中，部分顆粒會重新沉積，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)的運動軌跡。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，顆粒運動速度不斷增大，在彎曲處受離心力和運動慣性的作用，萘更靠近沿著天然氣流動方向的管道外側(cè)壁運移，而隨著顆粒離開彎曲處，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)的運動軌跡。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)壁運動，導(dǎo)致顆粒運移速度不斷增大，而在逐漸遠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，其運動速度開始不斷減小。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，其運移能力明顯增大。而隨著顆粒逐漸遠離回流區(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，在天然氣管道的不同管型內(nèi)已沉積萘的運移情況。其模擬結(jié)果如圖7所示。

圖6 三通管中已沉積萘顆粒運移規(guī)律圖

圖7 已沉積萘的運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，萘的運移率降低了24.34%。其他模擬參數(shù)不變，當(dāng)管徑由200 mm增加至500 m時，運移率增大了6.4%。當(dāng)水平彎管彎曲比為2時，萘的運移率降低了34.66%。其他模擬參數(shù)不變，當(dāng)彎曲比由1增加至4時，運移率降低了33.64%。當(dāng)三通管管徑比為1.0時，萘的運移率降低了7.58%。當(dāng)其他模擬參數(shù)保持不變時，當(dāng)管徑比由0.4增加至1.0時，運移率增加71.37%。可見已沉積萘的粒徑越大，越難以隨天然氣運移出管道，運移率越低。隨著直管管徑和三通管徑比增大，進入管內(nèi)的氣流量增大，氣流對沉積萘的攜帶作用不斷增強，運移率增高；隨著彎管的彎曲比增大，萘在彎曲位置運移時要經(jīng)過的距離增長，運移率降低。

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，在天然氣管道的不同管型內(nèi)已沉積萘的運移情況。其模擬結(jié)果如圖8所示。

當(dāng)水平直管管徑為500 mm時，萘的運移率增大了8.48%。當(dāng)水平彎管彎曲比為2時，萘的運移率增加0.35%。當(dāng)三通管管徑比為1.0時，萘的運移率降低了7.58%。可見氣流入口速度較大時，萘受氣流的攜帶作用增強，越容易改變原有的沉積狀態(tài)，而隨著氣流在管道內(nèi)運移，運移率增大。

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，溫度因素對已沉積萘顆粒在天然氣管道的不同管型內(nèi)的運移影響。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，萘的運移率減小了2.13%，而當(dāng)氣流入口速度由20 ℃增加至25 ℃時，萘的運移率增大了0.54%，可見隨著溫度的升高。當(dāng)彎曲比為2，溫度由10 ℃增加至25 ℃時，萘的運移率減小0.22%。當(dāng)管徑比為1.0，溫度由10 ℃增加至20 ℃時，萘的運移率減小0.04%，當(dāng)溫度由20 ℃增加至25 ℃時，萘的運移率增加0.08%?？梢娨殉练e的萘在氣流運動時所受到的拖曳力、顆粒之間的范德華力會隨著氣體溫度的升高而增大，而各種作用的不同變化趨勢導(dǎo)致運移率的變化趨勢不再單一。隨著溫度的升高，在水平直管道內(nèi)的已沉積萘運移率先減小而后增加；在水平彎管內(nèi)已沉積萘的運移率隨溫度升高而減?。辉谌ü艿纼?nèi)的已沉積萘運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，壓力因素對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，萘的運移率增大了0.65%，當(dāng)彎曲比為2，壓力由0.1 MPa增加至0.4 MPa時，萘的運移率增加0.26%。當(dāng)管徑比為1.0，壓力由0.1 MPa增加至0.4 MPa時，萘的運移率增加0. 08%?？梢妷毫υ酱?，萘顆粒在管中運移率越高。這是因為當(dāng)壓力較大時，萘顆粒在管道內(nèi)隨氣流運移受到的阻力較小，氣流攜帶萘顆粒運動的能力增大，萘更容易隨著氣流運動運移出在管道。

圖8 已沉積萘的運移率隨顆粒氣流入口速度的變化曲線圖

圖9 已沉積萘運移率隨溫度的變化曲線圖

圖10 已沉積萘運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移率則與粒徑成負相關(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移率先減小而后增大，水平彎管中已沉積萘的運移率則隨之減小。

3）當(dāng)萘顆粒粒徑由0.01 mm增加到0.10 mm時，在水平直管、水平彎管、三通管內(nèi)已沉積萘運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，在水平直管、三通管內(nèi)已沉積萘的運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)，已沉積萘的運移率變化范圍則小于1%；當(dāng)溫度由10 ℃增至25 ℃時，水平直管內(nèi)已沉積萘運移率的變化范圍為2%，而水平彎管、三通管內(nèi)已沉積萘運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，水平直管、水平彎管、三通管內(nèi)已沉積萘運移率的變化范圍均小于1%。

4）萘的運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相關(guān)關(guān)系。

5）在對置換后燃氣管網(wǎng)的萘沉積問題進行處理時，可以根據(jù)萘沉積預(yù)測結(jié)果對燃氣管網(wǎng)易出現(xiàn)沉積的管道加強監(jiān)控，當(dāng)管道出現(xiàn)壓損較大、燃氣輸送量減小時，可以考慮優(yōu)先進行管道更換。