安裝溫井對(duì)燃?xì)夤艿缐毫ΡO(jiān)測(cè)的影響

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(海洋石油工程股份有限公司 特種設(shè)備分公司， 天津 300452)

在石油化工行業(yè)，壓力監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)具有至關(guān)重要的作用，是系統(tǒng)工藝調(diào)控的關(guān)鍵和單個(gè)設(shè)備及整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的保障[1-2]。壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)是保障正常工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，壓力監(jiān)測(cè)值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性與與管內(nèi)物料種類、流速以及溫度取源部件的設(shè)置均有關(guān)系[3-6]。

GB 50093—2013《自動(dòng)化儀表工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[7]規(guī)定，壓力取源部件的安裝位置應(yīng)選在被測(cè)物料流速穩(wěn)定的地方。當(dāng)壓力取源部件與溫度取源部件在同一管段上時(shí)，壓力取源部件應(yīng)安裝在溫度取源部件的上游，壓力取源部件的端部不應(yīng)超出設(shè)備或管道的內(nèi)壁。對(duì)于壓力取源點(diǎn)與溫度取源點(diǎn)之間的具體距離，GB 50093—2013未規(guī)定也未給出推薦值。實(shí)際上壓力值的監(jiān)測(cè)不僅與同一管段上溫井和引壓管的上下游位置關(guān)系有關(guān)，而且與兩者之間的距離有關(guān)。當(dāng)距離非常小時(shí)，壓力取源部件即使位于溫度取源部件上游，壓力監(jiān)測(cè)值仍然會(huì)受到溫度取源部件的影響。當(dāng)管段足夠長(zhǎng)時(shí)，溫度取源部件即使在上游，也不會(huì)對(duì)壓力監(jiān)測(cè)造成實(shí)質(zhì)性影響。所以當(dāng)壓力管線上設(shè)置有溫井時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)具體情況分析溫井對(duì)壓力監(jiān)測(cè)的影響，評(píng)估溫井的安裝位置是否滿足壓力監(jiān)測(cè)的精度要求。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬計(jì)算方法近年來(lái)迅速發(fā)展，各種流動(dòng)模型及求解方法的開(kāi)發(fā)，使其在許多研究領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[8-13]。文中采用RNGk-ε模型[14-15]，選取某項(xiàng)目燃?xì)庀到y(tǒng)的某段管線，根據(jù)溫井插入深度及壓力表引壓口的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立有溫井的幾何模型和無(wú)溫井的參照模型，應(yīng)用 FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析在常規(guī)設(shè)計(jì)流速下溫井前后管線流場(chǎng)及取壓值變化情況。

1 管道參數(shù)及儀表設(shè)置

國(guó)內(nèi)某海洋平臺(tái)項(xiàng)目燃?xì)庀到y(tǒng)中，某段子系統(tǒng)管線尺寸為203.2 mm, 規(guī)格為SCH120。該管線上溫井和引壓管布置見(jiàn)圖1。圖1中，溫井直徑為25 mm，伸入管線內(nèi)部長(zhǎng)度116 mm。引壓管直徑為12.7 mm,規(guī)格為SCH160。 溫井與引壓管中心距為193 mm，且在管線橫截面上成45°夾角。

圖1 管線上溫井和引壓管布置

2 研究?jī)?nèi)容和研究方法

采用CFD方法研究圖1管線上溫井安裝位置及其對(duì)管線壓力監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的影響，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)管線及管線上溫井和壓力計(jì)建模并進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬過(guò)程中使用的管線工況設(shè)置為，①工況1：設(shè)計(jì)流速(18 m/s)。②工況2：最小氣量年(4.65 m/s)。③工況3：無(wú)溫井。

3 溫井對(duì)管線壓力監(jiān)測(cè)的影響研究

3.1 建模

3.1.1幾何模型

按照?qǐng)D1建立研究模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖2?？紤]到在FLUENT模擬過(guò)程中，設(shè)置的入口位置與流場(chǎng)擾動(dòng)位置距離過(guò)近將會(huì)造成模型不易收斂，特別將入口直管段計(jì)算域延長(zhǎng)了500 mm。這種處理只是基于軟件計(jì)算本身的考慮，能使模型穩(wěn)定容易收斂但對(duì)模擬結(jié)果準(zhǔn)確性無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。

圖2 管線、溫井、壓力計(jì)模型及網(wǎng)格

為減少網(wǎng)格數(shù)量，將幾何模型分為計(jì)算域延長(zhǎng)段、中間不規(guī)則段、溫井和引壓管4部分。其中，計(jì)算域延長(zhǎng)段流態(tài)穩(wěn)定，采用大尺寸四面體網(wǎng)格；中間不規(guī)則區(qū)域流態(tài)不穩(wěn)定，用小尺寸四面體網(wǎng)格；溫井和引壓管本身尺寸較小，采用最小的四面體網(wǎng)格。

3.1.2數(shù)學(xué)模型

考慮到管段較短，且有保溫伴熱，模擬時(shí)忽略管段內(nèi)流體的傳熱，即模型不考慮能量方程?？紤]到管段內(nèi)流體在溫井邊壁等位置會(huì)存在較大程度的流線彎曲，采用RNGk-ε模型求解流動(dòng)問(wèn)題[10]。模擬過(guò)程應(yīng)用如下的數(shù)學(xué)模型方程：

其中

μeff=μ+μt

η=(2EijEij)1/2k/ε

式中，ρ為流體密度，kg/m3；k為湍動(dòng)能，J；u為流速m/s；μ為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；xi、xj為方向矢量，m；ε為耗散率；η0=4.377，β=0.012，C1ε=1.42，C2ε=1.68，αk=αε=1.39，Cμ=0.084 5。

3.1.3模型假設(shè)及邊界條件

模擬時(shí)，對(duì)計(jì)算流體作如下假設(shè)：①忽略質(zhì)量力以及外部力，流體為輸入燃?xì)?。②流體物性滿足Peng-Robinson方程。③流體的流動(dòng)形式為紊流流態(tài)。

邊界條件設(shè)置為，燃?xì)馊肟谶x用速度入口，流體出口選用壓力出口。主管線及引壓管壁面均設(shè)定為無(wú)滑移壁面，Roughness Height 設(shè)定為0 m，Roughness Constant 設(shè)定為0.5。對(duì)工況1、工況2，設(shè)定溫井插入部分為無(wú)滑移壁面。對(duì)工況3，設(shè)定溫井插入部分為interior。由于管線內(nèi)壓降較小，假設(shè)天然氣為理想氣體，即密度選項(xiàng)為ideal-gas。3種工況下管線操作與介質(zhì)物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3種工況下管線操作與介質(zhì)物性參數(shù)

計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)為，energy殘差小于10-6，其他量的殘差小于10-3。

3.2 模擬及結(jié)果分析

3.2.1溫井安裝位置對(duì)壓力監(jiān)測(cè)的影響

在工況1條件下模擬0.1 s時(shí)刻管線在溫井軸向截面和管線在溫井軸向45°夾角截面的流體速度分布并進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖3。從圖3可得出，流體流經(jīng)溫井時(shí)擾動(dòng)較大，速度場(chǎng)發(fā)生了一定變化，最高速度高達(dá)29.8 m/s。流體經(jīng)過(guò)溫井時(shí)需要繞流，在溫井流動(dòng)方向的側(cè)方位形成高速區(qū)，在溫井流動(dòng)方向的后方形成低速區(qū)。溫井插入對(duì)其下游軸向截面的流態(tài)影響較大，而對(duì)其他截面影響較小。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，引壓管的方位布置宜與溫井插入的軸向截面成一定夾角。為了方便操作和觀測(cè)，建議引壓管與溫井插入軸向截面的設(shè)計(jì)夾角取45°。

圖3 0.1 s時(shí)刻管線不同截面流體速度分布

3.2.2溫井對(duì)監(jiān)測(cè)值穩(wěn)定性的影響

在工況1條件下模擬管線內(nèi)的流體流動(dòng)，管線在溫井軸向45°夾角截面0.05 s、0.08 s、0.1 s時(shí)刻的流體速度分布及對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 不同時(shí)刻45°管線截面流體速度分布

從圖4可知，各時(shí)刻流態(tài)穩(wěn)定，取壓口位置速度約為18 m/s，取壓管內(nèi)流速為0 m/s,管內(nèi)沒(méi)有形成漩渦等復(fù)雜流態(tài)。這表明在采用18 m/s的工程設(shè)計(jì)流速下，壓力監(jiān)測(cè)值是相對(duì)穩(wěn)定的。

在工況1條件下模擬0.05 s、0.08 s、0.1 s時(shí)刻管線在溫井軸向45°夾角截面的流體壓力分布，見(jiàn)圖5。對(duì)管線內(nèi)的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖6。

從圖5可知，流體流經(jīng)溫井時(shí)壓力場(chǎng)發(fā)生了明顯變化。在溫井流動(dòng)方向的側(cè)方位形成高壓區(qū)，在溫井流動(dòng)方向的后方形成低壓區(qū)，但由此造成的壓力場(chǎng)擾動(dòng)作用有限，傳播到引壓管時(shí)已非常小。

圖5 不同時(shí)刻45°管線截面流體壓力分布

圖6 各時(shí)間段管線壓力監(jiān)測(cè)圖

從圖6可知，流型穩(wěn)定后壓力波動(dòng)僅為25 Pa，遠(yuǎn)小于壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備的精度，可以認(rèn)為溫井對(duì)壓力監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性無(wú)影響。

模擬0.1 s時(shí)刻工況1條件下和工況2條件下管線內(nèi)各點(diǎn)壓力分布，分別見(jiàn)圖7和圖8。圖7和圖8中水平軸刻度0.111 m處為溫井中心線所在截面的位置，而水平軸刻度0.303 m處為引壓管所在截面的位置。

從圖7和圖8可知，引壓管處壓力監(jiān)測(cè)值穩(wěn)定，溫井內(nèi)伸位置的壓力監(jiān)測(cè)值波動(dòng)較大，波動(dòng)影響范圍包括上游50 mm以內(nèi)和下游100 mm以內(nèi)，波動(dòng)段后管線流型穩(wěn)定，說(shuō)明在本工程實(shí)例的設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)，溫井對(duì)下游壓力監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性均無(wú)影響。

圖7 0.1 s時(shí)刻工況1下管線內(nèi)各點(diǎn)壓力分布情況

圖8 0.1 s時(shí)刻工況2下管線內(nèi)各點(diǎn)壓力分布情況

3.2.3溫井對(duì)壓力監(jiān)測(cè)值準(zhǔn)確性的影響

0.1 s時(shí)刻工況3條件下管線內(nèi)各點(diǎn)壓力值分布情況見(jiàn)圖9。從圖9可知，無(wú)溫井時(shí)管線內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定，整個(gè)管段的壓降小于500 Pa，引壓管內(nèi)壓力場(chǎng)較為穩(wěn)定。

圖9 0.1 s時(shí)刻工況3下管線內(nèi)各點(diǎn)壓力分布情況

0.1 s時(shí)刻3種工況下模擬的管線內(nèi)最大壓力值、最小壓力值和監(jiān)測(cè)到的管線壓力值見(jiàn)表2。

表2 各工況壓力值對(duì)比

從表2可以知道，在工業(yè)常規(guī)管道設(shè)計(jì)流速下(18 m/s)，溫井前后壓力波動(dòng)不超過(guò)30 kPa。對(duì)比表2中工況1和工況3的壓力監(jiān)測(cè)值可知，有溫井時(shí)的壓力監(jiān)測(cè)值僅比無(wú)溫井時(shí)的小23 Pa，差值遠(yuǎn)小于工業(yè)常規(guī)壓力表監(jiān)測(cè)精度，在工程設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于實(shí)際管線結(jié)構(gòu)及管線上溫井和引壓管的布置，采用CFD方法研究了溫井對(duì)管線壓力監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的影響情況。研究結(jié)果表明，①溫井對(duì)管線內(nèi)流場(chǎng)有影響。壓力沿著管道中心線出現(xiàn)了大幅波動(dòng)，在工業(yè)常規(guī)管道設(shè)計(jì)流速下，溫井前后的壓力波動(dòng)在30 kPa以下。②溫井造成的流體波動(dòng)影響范圍集中于上游50 mm以內(nèi)和下游100 mm以內(nèi)。③溫井與壓力取源點(diǎn)成45°錯(cuò)位安裝有利于壓力監(jiān)測(cè)值穩(wěn)定。建議在無(wú)外界條件限制時(shí)，壓力取源點(diǎn)設(shè)置在溫度取源點(diǎn)上游，且距離大于50 mm。若受空間或操作限制，壓力取源點(diǎn)位于溫度取源點(diǎn)下游時(shí)，壓力取源點(diǎn)應(yīng)距溫度取源點(diǎn)應(yīng)大于100 mm，以避免紊流造成壓力監(jiān)測(cè)波動(dòng)較大且不準(zhǔn)確。