天然氣熱值調(diào)控中摻混效果數(shù)值模擬研究

邵 華，雷 巖，翟楠希，董新利

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100035)

為了保證能源安全和滿足國(guó)內(nèi)用戶需要，國(guó)家正抓緊實(shí)施天然氣引進(jìn)工程，包括從我國(guó)東北部、西北部引進(jìn)俄羅斯和中亞氣，從西南部引進(jìn)緬甸氣，以及沿海地區(qū)引進(jìn)LNG。由于不同地區(qū)的天然氣熱值存在很大的差異，為了滿足天然氣燃燒熱值標(biāo)準(zhǔn)和控制精確的燃燒，人們通常將多種燃?xì)鈸交欤瑥亩_(dá)到對(duì)天然氣熱值的調(diào)控[1]。

我國(guó)未來(lái)將形成以西氣東輸、陜-京二線、忠-武線和進(jìn)口天然氣管道、沿海天然氣管道為主線的縱橫交錯(cuò)、橫跨多個(gè)目標(biāo)市場(chǎng)區(qū)域的管網(wǎng)系統(tǒng)，資源多元化、供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、調(diào)度靈活化的供氣格局將逐漸形成[2]。由于天然氣資源的多元化，國(guó)產(chǎn)天然氣、進(jìn)口天然氣、引進(jìn)LNG的組成及燃燒特性各不相同，當(dāng)一種燃?xì)庵脫Q另一種燃?xì)鈺r(shí)，首先要保證燃具所產(chǎn)生的熱負(fù)荷在燃?xì)庵脫Q前后不能發(fā)生大的改變[3-4]。因此，對(duì)于保證燃燒熱值和穩(wěn)定燃燒，天然氣進(jìn)行摻混后的均勻效果顯得尤為重要。

祝博偉[4]采用LPG改質(zhì)氣與LPG進(jìn)行摻混，然后用于天然氣燃具進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示：燃具在使用接近其基準(zhǔn)氣低華白數(shù)的氣源(等華白數(shù)氣)時(shí)整體性能最好，用LPG改質(zhì)氣摻混LPG生產(chǎn)替代天然氣作為應(yīng)急氣源是可行的。李建鯤[5]以焦?fàn)t氣做為城市主氣源的燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)在氣源不足的情況下，采用發(fā)生爐、水煤氣爐、反火爐生產(chǎn)低熱值煤制氣，并利用天然氣增熱后摻混為補(bǔ)充氣源的技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：三氣摻混時(shí)，水煤氣與天然氣比例宜控制在75:25～70:30之間，摻入量應(yīng)在9×104N·m3/d以下，摻入量低于5×104N·m3/d時(shí)，可適當(dāng)降低天然氣摻入量(約占增熱水煤氣總量的25%)，摻入量大時(shí)(6×104～9×104N·m3/d)，天然氣摻入量占增熱水煤氣量的30%。劉俊德[6]為了提高燃燒控制精度，要求對(duì)燃料天然氣熱值進(jìn)行精確控制。通過(guò)向天然氣中摻混空氣調(diào)整天然氣熱值，采用前饋控制和串級(jí)控制調(diào)整混合氣熱值，混合氣熱值可控制在( 34.6 ±0.1) MJ/m3。郭峰等[7-10]研究不同熱值的天然氣的互換性，介紹了天然氣熱值的調(diào)整方法，并結(jié)合典型工程，采用 HYSYS 模擬軟件給出了摻混空氣法進(jìn)行熱值調(diào)整的工藝流程和計(jì)算結(jié)果。此外，黃祖培等[11-15]還從配置方式、工藝流程、調(diào)節(jié)原理和設(shè)置氣態(tài)的天然氣或空氣混合裝置等方面對(duì)摻混法工藝流程和控制方案進(jìn)行了研究分析，闡明了摻混法在LNG熱值調(diào)整中應(yīng)用的可行性。

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外對(duì)于天然氣摻混研究以摻混熱值和摻混比例熱為主要研究目標(biāo)，并對(duì)熱值調(diào)整的應(yīng)用可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。但在實(shí)際應(yīng)用中，考慮實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)管路，對(duì)于天然氣摻混后的均勻性效果和摻混后多遠(yuǎn)距離摻混氣體可以混合均勻的研究較少。因此，對(duì)于天然氣熱值調(diào)控過(guò)程中摻混效果的數(shù)值模擬研究具有一定實(shí)際意義。

1 摻混管路模型建立

為研究天然氣熱值調(diào)控過(guò)程的摻混效果，對(duì)1支管摻混管路和1個(gè)匯管摻混管路進(jìn)行對(duì)比研究。支管摻混管路模型和匯管摻混管路模型分別如圖1和圖2所示。

圖2 匯管摻混管路模型

圖1 支管摻混管路模型

對(duì)于支管摻混管路模型，主管路為直徑D1=200 mm的圓管，摻混進(jìn)口直管直徑為D2=60 mm的圓管。主管路進(jìn)口距離摻混支管中心距離為10D1=2 000 mm，摻混支管長(zhǎng)度為10D2=600 mm，摻混支管中心距離主管路出口為40D1=8 000 mm。

對(duì)于匯管摻混管路模型，主管路為直徑D1=200 mm的圓管，摻混進(jìn)口直管直徑為D2=60 mm的圓管。匯管為直徑D3=400 mm的圓管。主管路進(jìn)口距離摻混支管中心距離為5D1=1 000 mm，摻混支管長(zhǎng)度為10D2=600 mm，摻混支管中心距離匯管中心為5D1=1 000 mm。2個(gè)支路管徑為D1=200 mm，均對(duì)稱距離匯管中心位置5D3=2 000 mm，匯管兩邊封頭位置分別距離2條支路管線中心2D3=800 mm。

2 管路模型網(wǎng)格劃分

單管摻混結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并在圓管壁附近進(jìn)行網(wǎng)格的局部加密，以相對(duì)精確地計(jì)算邊界層的流動(dòng)。單管摻混模型網(wǎng)格如圖3(a)所示，網(wǎng)格總數(shù)為472萬(wàn)。匯管摻混管路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，如圖3(b)所示，網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格劃分，并在圓管壁附近進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，以相對(duì)精確地計(jì)算邊界層的流動(dòng)。網(wǎng)格總數(shù)為541萬(wàn)。

圖3 管路網(wǎng)格劃分

3 邊界條件設(shè)置

對(duì)于求解設(shè)置的邊界條件，環(huán)境參考溫度為25 ℃，進(jìn)口參考?jí)毫?0 kPa。主管路進(jìn)口采用的速度進(jìn)口為22.1 m/s(即2 500 m3/h)，摻混支管路進(jìn)口采用的速度進(jìn)口為24.56 m/s(即250 m3/h)，支路出口選擇自由出流邊界條件。計(jì)算壁面采用無(wú)滑移壁面邊界條件，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。仿真計(jì)算設(shè)置氣體為不可壓縮，計(jì)算工質(zhì)有2種摻混氣體：一種是樣氣；另一種是LNG。2種摻混氣體中甲烷、乙烷、丙烷、氮?dú)?、氫氣及二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 摻混氣體組分及其分布(摩爾分?jǐn)?shù)/%)

4 模型求解

4.1 支管摻混流場(chǎng)分析

對(duì)于支管摻混數(shù)值模擬結(jié)果，管路沿管長(zhǎng)截面速度分布如圖4所示。由圖4可知，在初始主管路進(jìn)口速度相對(duì)均勻，在支管摻混處，2種不同速度大小和方向的氣體發(fā)生摻混。摻混后，在摻混拐角處形成一個(gè)速度很低的流動(dòng)區(qū)域，所占寬度達(dá)到管路1/3管徑，并在下游發(fā)展達(dá)到1/2管徑。此流動(dòng)區(qū)域流動(dòng)較為緩慢，不利于下游流體的相互摻混。

圖4 摻混處局部速度分布圖

氣體摻混后甲烷組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖5所示。

圖5 氣體摻混后甲烷組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖

從圖5可知，對(duì)于主管路進(jìn)口為樣氣，甲烷摩爾分?jǐn)?shù)為96.06%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG甲烷組分摩爾分?jǐn)?shù)為93.5%。摻混后，樣氣從主管路中心至底部流穿，并在下游逐漸與LNG氣體發(fā)生摻混。而LNG氣體則在主管路上部至管路中心流動(dòng)，被樣氣“吹偏”至下游，并逐漸與樣氣發(fā)生摻混。在下游摻混后甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)為95.83%。

氣體摻混后乙烷組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖6所示。

圖6 氣體摻混后乙烷組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖

從圖6可知，對(duì)于主管路進(jìn)口樣氣，乙烷摩爾分?jǐn)?shù)為0.54%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG中乙烷組分的摩爾分?jǐn)?shù)為6.36%。摻混后，樣氣從主管路中心至底部流穿，并在下游逐漸與LNG氣體發(fā)生摻混。而LNG氣體則在主管路上部至管路中心流動(dòng)，被二號(hào)樣氣“吹偏”至下游，并逐漸與樣氣發(fā)生摻混。在下游摻混后乙烷的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到1.07%。

氣體摻混后丙烷組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖7所示。

圖7 氣體摻混后丙烷組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖

從圖7可知，對(duì)于主管路進(jìn)口樣氣，丙烷摩爾分?jǐn)?shù)為0.12%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG丙烷組分的摩爾分?jǐn)?shù)為0.06%。摻混后，樣氣從主管路中心至底部流穿，并在下游逐漸與LNG氣體發(fā)生摻混。而LNG氣體則在主管路上部至管路中心流動(dòng)，被樣氣“吹偏”至下游，并逐漸與樣氣發(fā)生摻混。在下游摻混后丙烷的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到0.11%。

氮?dú)饨M分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖8所示。

圖8 氣體摻混后氮?dú)饨M分摩爾分?jǐn)?shù)云圖

從圖8可知，對(duì)于主管路進(jìn)口樣氣，氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)為1.70%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG氮?dú)饨M分的摩爾分?jǐn)?shù)為0.08%。摻混后，樣氣從主管路中心至底部流穿，并在下游逐漸與LNG氣體發(fā)生摻混。而LNG氣體則在主管路上部至管路中心流動(dòng)，被樣氣“吹偏”至下游，并逐漸與樣氣發(fā)生摻混。在下游摻混后氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)達(dá)到1.55%。

氫氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖9所示。

圖9 氣體摻混后氫氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖

從圖9可知，對(duì)于主管路進(jìn)口為二號(hào)樣氣，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)為1.28%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG氫氣組分摩爾分?jǐn)?shù)為0.00%。在下游摻混后氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到1.16%。

二氧化碳組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖10所示。

圖10 氣體摻混后二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)云圖

從圖10可知，對(duì)于主管路進(jìn)口為二號(hào)樣氣，二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)為0.30%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG二氧化碳組分的摩爾分?jǐn)?shù)為0.00%。在下游摻混后二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到0.27%。

4.2 匯管摻混流場(chǎng)分析

對(duì)于匯管摻混數(shù)值模擬結(jié)果，管路沿管長(zhǎng)截面速度和壓力分布如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可知，在初始主管路進(jìn)口速度相對(duì)均勻，在支管摻混處，2種不同速度大小和方向的樣氣發(fā)生摻混。摻混后，速度分布發(fā)生較大擾動(dòng)，并以更大的速度向下游流動(dòng)。在摻混氣體進(jìn)匯管后，沖擊到匯管內(nèi)側(cè)管壁，并向匯管兩側(cè)發(fā)散開來(lái)，在匯管內(nèi)發(fā)生低速的、相對(duì)大尺度的旋渦摻混流動(dòng)。摻混氣體進(jìn)一步進(jìn)入支管后，在支管內(nèi)側(cè)拐角形成低速的流動(dòng)，并在下游逐漸發(fā)展均勻。

圖11 全管長(zhǎng)截面速度分布圖

圖12 全管長(zhǎng)截面壓力分布圖

摻混后甲烷組分摩爾分?jǐn)?shù)如圖13所示。

圖13 摻混后甲烷組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖

從圖13可知，對(duì)于主管路進(jìn)口為樣氣，甲烷摩爾分?jǐn)?shù)為96.06%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG甲烷組分摩爾分?jǐn)?shù)為93.5%。摻混后的氣體進(jìn)入?yún)R管，發(fā)生大尺度的摻混，并在進(jìn)入支管前達(dá)到相對(duì)均勻的狀態(tài)。在進(jìn)入支管后，氣體組分已經(jīng)摻混的相對(duì)均勻。在支管中甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到95.83%。

圖14 摻混后乙烷組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖

摻混后乙烷組分摩爾分?jǐn)?shù)如圖14所示。從圖14可知，對(duì)于主管路進(jìn)口為樣氣，乙烷摩爾分?jǐn)?shù)為0.54%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG乙烷組分摩爾分?jǐn)?shù)為6.36%。摻混后的氣體進(jìn)入?yún)R管，發(fā)生大尺度的摻混，并在進(jìn)入支管前達(dá)到相對(duì)均勻的狀態(tài)。在進(jìn)入支管后，氣體組分已經(jīng)摻混的相對(duì)均勻。在支管中乙烷的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到1.06%。

摻混后丙烷組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖15所示。

圖15 摻混后丙烷組分爾分?jǐn)?shù)云圖

從圖15可知，對(duì)于主管路進(jìn)口樣氣，丙烷摩爾分?jǐn)?shù)為0.12%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG丙烷組分摩爾分?jǐn)?shù)為0.06%。摻混后的氣體進(jìn)入?yún)R管，發(fā)生大尺度的摻混，并在進(jìn)入支管前達(dá)到相對(duì)均勻的狀態(tài)。在進(jìn)入支管后，氣體組分已經(jīng)摻混的相對(duì)均勻。在支管中丙烷的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到0.11%。

摻混后氮?dú)饨M分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖16所示。

圖16 摻混后氮?dú)饨M分摩爾分?jǐn)?shù)云圖

從圖16可知，對(duì)于主管路進(jìn)口樣氣，氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)為1.70%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG氮?dú)饨M分摩爾分?jǐn)?shù)為0.08%。摻混后的氣體進(jìn)入?yún)R管發(fā)生大尺度摻混，并在進(jìn)入支管前達(dá)到相對(duì)均勻的狀態(tài)。在進(jìn)入支管后，氣體組分已經(jīng)摻混的相對(duì)均勻。在支管中氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)達(dá)到1.55%。

摻混后氫氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖17所示。

圖17 摻混后氫氣組分占比云圖

從圖17可知，對(duì)于主管路進(jìn)口樣氣，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)為1.28%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG氫氣組分摩爾分?jǐn)?shù)為0.00%。摻混后的氣體進(jìn)入?yún)R管，發(fā)生大尺度的摻混，并在進(jìn)入支管前達(dá)到相對(duì)均勻的狀態(tài)。在進(jìn)入支管后，氣體組分已經(jīng)摻混的相對(duì)均勻。在支管中氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到1.17%。

圖19 支管與匯管摻混后甲烷組摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)比

摻混后氫氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖18所示。

圖18 摻混后二氧化碳組分占比云圖

由圖18可知，對(duì)于主管路進(jìn)口樣氣，二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)為0.30%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG二氧化碳組分摩爾分?jǐn)?shù)為0.00%。摻混后的氣體進(jìn)入?yún)R管，發(fā)生大尺度的摻混，并在進(jìn)入支管前達(dá)到相對(duì)均勻的狀態(tài)。在進(jìn)入支管后，氣體組分已經(jīng)摻混的相對(duì)均勻。在支管中二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到0.27%。

4.3 支管與匯管摻混效果對(duì)比研究

考慮到摻混后流體工質(zhì)的摻混均勻性，現(xiàn)將沿管路不同距離截面上流體組分的質(zhì)量平均(MassFlowAve)求出，截面質(zhì)量平均表達(dá)式為：

支管和匯管摻混后，甲烷、乙烷、丙烷、氮?dú)?、氫氣和二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)沿?fù)交熘行奶幘嚯x的變化圖分別如圖19～圖24所示。

圖20 支管與匯管摻混后乙烷組摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖21 支管與匯管摻混后丙烷組摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖22 支管與匯管摻混后氮?dú)饨M摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖23 支管與匯管摻混后氫氣組摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖24 支管與匯管摻混后二氧化碳組摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)比

由圖19～圖24中可以看出，對(duì)于支管摻混，在摻混后距離摻混中心0D～0.5D處摻混劇烈，各個(gè)氣體組分摩爾分?jǐn)?shù)發(fā)生劇烈變化；在0.5D～1.0D會(huì)發(fā)生一個(gè)跳動(dòng)，這是受到摻混處后方拐角的旋渦流動(dòng)影響導(dǎo)致；從1.5D直至出口，發(fā)生逐漸摻混，摻混較慢，但摻混均勻發(fā)展。在15D距離處再往下游，各個(gè)氣體組分相對(duì)變化已經(jīng)不大，可認(rèn)為在15D處2種氣體摻混達(dá)到相對(duì)均勻狀態(tài)。對(duì)于匯管摻混，在摻混后距離摻混中心0D～4D處摻混劇烈，各個(gè)氣體組分占比發(fā)生劇烈變化。從4D～6D位置是直徑為400 mm的匯管，流體在匯管中已經(jīng)達(dá)到充分的摻混，在進(jìn)入支管前已經(jīng)達(dá)到各組分的相對(duì)均勻。因此，可認(rèn)為在匯管的出口或支管的入口處2種氣體摻混達(dá)到相對(duì)均勻狀態(tài)。

5 結(jié)論

為了研究天然氣熱值調(diào)控過(guò)程的摻混效果，通過(guò)建立不同熱值天然氣摻混管路模型，并基于ANSYS Fluent 16.0仿真軟件對(duì)1支管摻混和1匯管摻混進(jìn)行數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)于單管摻混流動(dòng)，在摻混處拐角易發(fā)生低速滯流區(qū)域，摻混的效果不如匯管。在距離摻混中心位置15D=3 000 mm處，摻混相對(duì)充分，各氣體組分達(dá)到相對(duì)均勻狀態(tài)。但在下游隨著流動(dòng)的發(fā)展，摻混仍在進(jìn)行。

(2)對(duì)于匯管摻混流動(dòng)，由于匯管的存在，改變了流體流動(dòng)的方向，加強(qiáng)了流動(dòng)的摻混，摻混效果較好。在匯管的出口，即支管的入口處，各氣體組分已達(dá)到相對(duì)均勻狀態(tài)。