輸氣站場(chǎng)過(guò)濾分離器壓降與除塵效率變化特性

敬佩瑜，鄭思佳，張帥，唐超，段林林，付斌

（1 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2 中國(guó)石油西南油氣田分公司集輸工程技術(shù)研究所，四川 成都 610000；3 國(guó)家油氣管網(wǎng)公司調(diào)控中心，北京100027；4 中國(guó)石油西南油氣田公司燃?xì)夥止荆拇?成都 611500；5 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

為進(jìn)一步脫除微小的粉塵顆粒，當(dāng)凈化氣管網(wǎng)中的天然氣流向下游燃?xì)夤芫W(wǎng)時(shí)往往需要設(shè)置過(guò)濾分離器[1]，氣體流經(jīng)過(guò)濾分離器時(shí)必將發(fā)生一定的壓力損失，即壓降。作為主要評(píng)價(jià)參數(shù)，壓降的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程能反映過(guò)濾分離器的剩余壽命[2-4]，但如何通過(guò)壓降來(lái)評(píng)價(jià)過(guò)濾分離器的除塵效率和工作狀況，亟待深入研究[5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題開展了廣泛的研究，Azam 等[6]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，考察了不同濾材動(dòng)態(tài)壓降和分離效率間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)壓降隨床層厚度增加呈升高趨勢(shì)，當(dāng)孔隙率減小到75%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓降的陡然升高。劉震等[7]采用高壓天然氣粉塵在線檢測(cè)裝置，定期監(jiān)測(cè)某高含硫氣田過(guò)濾分離器的除塵效率，發(fā)現(xiàn)在使用時(shí)間達(dá)到總使用壽命1/3時(shí)，除塵效率和壓降突然以指數(shù)倍逐漸升高[8]。Lim 等[9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)濾材孔隙率減小到原孔隙率的50%后，壓降和除塵效率增加30%。Song 等[10]明確了濾芯除塵效率、壓降和粉塵捕集量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉塵在濾芯纖維上形成一種“鏈狀結(jié)構(gòu)”時(shí)，粉塵捕集效率會(huì)增加3～5 倍，但這種“鏈狀結(jié)構(gòu)”的含量往往影響濾芯使用壽命。Riefler 等[11]實(shí)驗(yàn)擬合得到了濾芯捕集質(zhì)量與除塵效率間的二次冪關(guān)系。Thomas等[12-13]則驗(yàn)證了這種二次冪關(guān)系是普遍存在的。Bourrous 等[14]明確了過(guò)濾分離器的壓降與流量之間是一種線性關(guān)系，這種關(guān)系的斜率k在0.2～0.5 之間。Feng 等[15]采用二維模型對(duì)粉塵流過(guò)濾芯的過(guò)程開展了計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）模擬，發(fā)現(xiàn)濾芯的壓降與流量呈正比。

國(guó)內(nèi)外已有的評(píng)價(jià)方法大多基于室內(nèi)試驗(yàn)展開，其在輸氣站場(chǎng)應(yīng)用的可靠性還未見(jiàn)報(bào)道。2016年劉震等[16]認(rèn)為氣田大量輸氣站場(chǎng)過(guò)濾分離器仍存在使用壽命、使用效果難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的問(wèn)題，2020年在西南某氣田的輸氣站場(chǎng)中這一問(wèn)題仍然廣泛存在。因此，如何將試驗(yàn)和CFD 方法得到的數(shù)據(jù)應(yīng)用在輸氣站場(chǎng)過(guò)濾分離器評(píng)價(jià)上，還需要進(jìn)一步研究。為此，以輸氣站場(chǎng)過(guò)濾分離器為研究對(duì)象，采用粉塵在線檢測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，考察壓降、除塵效率在不同運(yùn)行壓力下的變化特性以及隨運(yùn)行時(shí)間的變化過(guò)程，研究結(jié)果可有效評(píng)價(jià)過(guò)濾分離器的除塵效率和工作狀況。

1 基本參數(shù)和除塵效率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

1.1 過(guò)濾分離器基本參數(shù)

（1）原理和結(jié)構(gòu) 輸氣站場(chǎng)過(guò)濾分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流動(dòng)方向如圖1所示，在聚結(jié)腔內(nèi)29根濾芯整齊排列見(jiàn)圖1(a)，其入口與出口管徑、濾芯長(zhǎng)度等基礎(chǔ)尺寸見(jiàn)圖1(b)。攜帶粉塵的氣體從入口管道流入過(guò)濾分離器聚結(jié)腔內(nèi)，通過(guò)濾芯的聚結(jié)作用，粉塵顆粒被脫除，通過(guò)氣體收集腔經(jīng)出口管道流出分離過(guò)濾器，如圖1(c)所示。

圖1 過(guò)濾分離器的結(jié)構(gòu)、尺寸和原理

（2）分離過(guò)濾器參數(shù) 分離過(guò)濾器內(nèi)濾芯長(zhǎng)1200mm、外徑114mm、內(nèi)徑96mm，材料為聚乙烯纖維，操作溫度在-5～115℃之間。單根濾芯的過(guò)濾區(qū)域?yàn)?.98m2，設(shè)計(jì)的除塵效率是除去99%的粒徑大于5μm的粉塵，如表1所示。

表1 濾芯及分離過(guò)濾器技術(shù)參數(shù)

1.2 除塵效率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

（1）檢測(cè)原理和方法 為考察分離過(guò)濾器的除塵特性，采用中國(guó)石油大學(xué)（北京）研發(fā)的高壓天然氣管道內(nèi)粉塵檢測(cè)裝置，檢測(cè)三個(gè)輸氣站場(chǎng)流入（上游）與流出（下游）過(guò)濾分離器的粉塵濃度，進(jìn)而通過(guò)式(1)計(jì)算除塵效率。該裝置由采樣系統(tǒng)、粒子分析系統(tǒng)、減壓放空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四部分組成[17-18]，檢測(cè)流程及原理如圖2 所示。采樣系統(tǒng)①可在高壓下獲得攜帶粉塵的流動(dòng)氣體；粒子分析系統(tǒng)②主要用于粉塵顆粒濃度分析，主要設(shè)備為德國(guó)Palas 公司的Welas3000 型氣溶膠粒徑譜儀與Prostar型顆粒物在線檢測(cè)裝置；減壓放空系統(tǒng)③由減壓閥與放空管組成；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)④則是數(shù)據(jù)處理模塊[19]。

圖2 高壓天然氣管道內(nèi)粉塵檢測(cè)流程

式中，CV,out與CV,in為出口和進(jìn)口粉塵濃度，直接由Welas光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器讀出，μm3/m3。

（2）在線檢測(cè)條件 主要考察對(duì)象為三個(gè)輸氣站場(chǎng)的臥式過(guò)濾分離器F-1、F-2 與F-3，它們的進(jìn)站壓力依次為2.5MPa、3.5MPa 與4.5MPa，如表2所示。取樣分析表明粉塵顆粒呈無(wú)規(guī)則狀，粒徑在3～50μm 之間，呈正態(tài)分布，其形狀如圖3(a)所示。上游來(lái)氣的粉塵濃度約100μg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）。各站在1年內(nèi)的月平均日輸量（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）在150×104～400×104m3/d之間，如圖3(b)所示，在各自運(yùn)行壓力下，三臺(tái)過(guò)濾分離器的氣體密度為20.54kg/m3、28.76kg/m3與36.98kg/m3，相應(yīng)工況輸量（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）在14.7×104～39.4×104m3/d 之間，相應(yīng)入口流速分別為8.2～23.4m/s、5.7～16.3m/s 與4.4～12.4m/s。

表2 在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)條件

由圖3(b)可知，各分離過(guò)濾器流量負(fù)荷在冬天較大，夏天較小，其累計(jì)輸量相差不大。為考察分離過(guò)濾器的除塵效率，分別在濾芯安裝投產(chǎn)1個(gè)月內(nèi)（0 年）、運(yùn)行0.5 年和1 年后在線檢測(cè)各站過(guò)濾分離器的除塵效率。

圖3 粉塵結(jié)構(gòu)和F-1、F-2與F-3月平均日輸量

1.3 過(guò)濾分離器壓降跟蹤實(shí)驗(yàn)

除檢測(cè)過(guò)濾分離的除塵效率外，還跟蹤三臺(tái)過(guò)濾分離器流量、運(yùn)行壓力與溫度等參數(shù)，記錄頻率為每周2次，持續(xù)時(shí)間為1年，以獲得分離過(guò)濾器壓降隨輸量的變化特性。

2 數(shù)值模擬

2.1 基本方程

粉塵流動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬主要采用歐拉-歐拉方法，其中，不同的相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)。由于一種相所占的體積無(wú)法再被其他相占有，故引入相體積率（phasic volume fraction）的概念。相體積率是時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù)，各相的體積率之和等于1。氣固兩相按照體積分?jǐn)?shù)分別求解瞬態(tài)連續(xù)性方程（對(duì)每一相分別求解）[式(2)]、動(dòng)量方程（對(duì)每一相分別求解）[式(3)][20]。

式中，Ps為顆粒相傳導(dǎo)進(jìn)入連續(xù)相的壓力，主要存在于流體域與壁面邊界[式(5)]。

式中，ω為顆粒流的動(dòng)量傳質(zhì)[式(6)]。

式中，g0(αs)為顆粒的徑向分布方程，主要用于修正顆粒碰撞的概率[式(7)]。

式中，μk為由顆粒碰撞和平動(dòng)產(chǎn)生的剪切黏度[式(8)]。

式中，由顆粒碰撞產(chǎn)生的剪切黏度為式(9)。

由顆粒平動(dòng)產(chǎn)生的剪切黏度為式(10)。

式(4)中的λs為表征固相體積膨脹的體積黏度[式(11)]。

式中，αs為顆粒相體積分?jǐn)?shù)；es為彈性系數(shù)；ds為顆粒粒徑。系數(shù)η可表示為式(12)。

式(3)右側(cè)FD為氣相與固相之間的曳力，如式(13)、式(14)。

式中，Cd為單顆粒曳力系數(shù)；Rep為顆粒雷諾數(shù)；dp為顆粒直徑；αk為各相體積分?jǐn)?shù)；up為固相流速。將Schiller and Naumann[21]曳力系數(shù)模型引入進(jìn)FD中[式(15)]。

式中，F(xiàn)L為氣相施加給固相的舉升力，如式(16)～式(20)。

式中，Resi為剪切流中的雷諾數(shù)；CL為Saffman舉升力系數(shù)；Fvm為虛擬質(zhì)量力。

為計(jì)算分離過(guò)濾器濾芯聚結(jié)過(guò)程，在原動(dòng)量方程右側(cè)加入以下源項(xiàng)[式(21)～式(23)][22]。

式中，Si為i方向上的源項(xiàng)；vs為顆粒的速度向量，方程右側(cè)第一項(xiàng)為達(dá)西流動(dòng)項(xiàng)，方程右側(cè)第二項(xiàng)為慣性阻力項(xiàng)。該源項(xiàng)會(huì)引起過(guò)濾單元內(nèi)壓力梯度變化，進(jìn)而引起粉塵速度的變化，實(shí)現(xiàn)粉塵在濾芯上聚結(jié)的效果，a為滲透率，C2為慣性阻力系數(shù)，慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)可以通過(guò)壓降和流速關(guān)系來(lái)獲得，如式(24)。

擬合所得初始?jí)航岛土魉訇P(guān)系如表3所示，擬合曲線R2在0.98左右，如圖6中黑線曲線，在擬合過(guò)程中，A與B的值均應(yīng)大于0。黏性阻力VR黏性阻力和慣性阻力IR慣性阻力可表達(dá)為式(25)和式(26)，其值見(jiàn)表3。

表3 慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)

上述方程中各個(gè)參數(shù)的取值如表4所示，將表4中取值代入可求得各方程的解。

表4 基本參數(shù)及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.2 模型求解

分離過(guò)濾器采用混合網(wǎng)格劃分如圖4所示，共劃分51 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)化（分離過(guò)濾器殼體）約40 萬(wàn)個(gè)，結(jié)構(gòu)化（分離過(guò)濾器濾芯）11 萬(wàn)個(gè)，湍動(dòng)能和湍流耗散率分別由5%的湍流強(qiáng)度和10%的入口混合長(zhǎng)度獲得。由于分離過(guò)濾器壓降最大只有數(shù)十千帕，與數(shù)十兆帕的出口壓力有2～3個(gè)數(shù)量級(jí)之差，故出口壓力設(shè)定為與入口壓力相同。SIMPLE 算法用于計(jì)算各相流速和壓力降。一階迎風(fēng)算法用于各相動(dòng)量方程計(jì)算，二階迎風(fēng)算法用于湍動(dòng)能和湍流擴(kuò)散率的計(jì)算。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為10-4s，根據(jù)質(zhì)量守恒，收斂依據(jù)為：入口粉塵質(zhì)量流量-出口粉塵質(zhì)量流量=捕集粉塵質(zhì)量/運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)算步數(shù)為2×105步。在收斂后可通過(guò)增加步長(zhǎng)的方法，完成擬運(yùn)行時(shí)間為1年時(shí)的工況。

圖4 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分

模型的求解過(guò)程如圖5所示，首先對(duì)過(guò)濾分離器進(jìn)行物理建模，再分別求解氣-固兩相連續(xù)性方程、動(dòng)量方程與本構(gòu)方程。由此得達(dá)西流動(dòng)項(xiàng)與慣性阻力項(xiàng)，進(jìn)而得氣固兩相流場(chǎng)分布和濾芯聚結(jié)過(guò)程。粉塵顆粒粒徑分布通過(guò)UDF （user defined function）中的宏DEFINE_PROPERTY 編譯在第二相的顆粒粒徑中。

圖5 模型的求解

安恩科等[25]認(rèn)為對(duì)于同一模型，網(wǎng)格數(shù)目小時(shí)，計(jì)算容易收斂，而計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)目有關(guān)；網(wǎng)格數(shù)目大時(shí)，計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)目無(wú)關(guān)，計(jì)算不容易收斂。因此，需要對(duì)模型中的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算以F-2分離過(guò)濾器為研究對(duì)象，共劃分4 面 體 網(wǎng)格6 組，分別為21 萬(wàn)、31 萬(wàn)、41 萬(wàn)、51萬(wàn)、61 萬(wàn)與71 萬(wàn)。所有網(wǎng)格扭曲度在0～0.4 之間，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖6為分離過(guò)濾器F-2在21萬(wàn)、31萬(wàn)、41萬(wàn)、51萬(wàn)、61萬(wàn)與71萬(wàn)網(wǎng)格下運(yùn)行0.5s時(shí)顆粒相流動(dòng)的傳質(zhì)過(guò)程，可見(jiàn)這些不同網(wǎng)格模型下收斂解的趨勢(shì)相同，但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在21萬(wàn)～41萬(wàn)時(shí)，傳質(zhì)過(guò)程存在一定差異，但當(dāng)網(wǎng)格輸量從51萬(wàn)增大到71萬(wàn)時(shí)，傳質(zhì)過(guò)程基本相同，因此，確定網(wǎng)格數(shù)量在51萬(wàn)時(shí)傳質(zhì)過(guò)程即可達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)網(wǎng)格數(shù)量最小。

圖6 分離過(guò)濾器F-2在不同網(wǎng)格數(shù)量下運(yùn)行0.5s時(shí)顆粒相流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程

圖7為不同網(wǎng)格數(shù)量下運(yùn)行時(shí)間11s時(shí)分離過(guò)濾器出口粉塵體積濃度的變化，由此發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)網(wǎng)格輸量大于51萬(wàn)時(shí)，出口粉塵體積濃度才趨于穩(wěn)定。

圖7 不同網(wǎng)格數(shù)量下運(yùn)行11s時(shí)分離過(guò)濾器出口粉塵體積濃度的變化

綜上所述，采用粉塵傳質(zhì)隨網(wǎng)格數(shù)量變化趨勢(shì)，與采用出口濃度隨迭代步數(shù)變化判定網(wǎng)格收斂性的結(jié)果是一致的。因此，確定計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量為51萬(wàn)是合適的。

3 結(jié)果和討論

3.1 初始?jí)航?/h3>

記錄各分離過(guò)濾器在更換濾芯后首月的壓降、流量數(shù)據(jù)，整理后可見(jiàn)壓降與流量之間的關(guān)系，如圖8 所示。F-3 在標(biāo)況輸量150×104～400×104m3/d 下的壓降最低，F(xiàn)-1 最高，因?yàn)樵谙嗤瑯?biāo)況流量下，操作壓力越低，工況流速越快，受到的局部阻力越大。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)與CFD 計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)CFD 計(jì)算值小于初始?jí)航档臄M合曲線，這是因?yàn)檫^(guò)濾分離器實(shí)際運(yùn)行時(shí)粉塵顆粒往往是一股一股地進(jìn)入濾芯纖維，再通過(guò)尋找濾材中薄弱的孔隙流出[11]，這會(huì)對(duì)壓降產(chǎn)生擾動(dòng)，結(jié)果一方面增大壓力監(jiān)測(cè)裝置的誤差，另一方面使壓降緩慢降低。

然而，CFD 無(wú)法描述實(shí)際流動(dòng)中顆?！皩ふ摇崩w維薄弱處的過(guò)程，根據(jù)源項(xiàng)式(21)的設(shè)定，只能線性描述一定濾芯的阻力特性[6]。由模擬結(jié)果可知，誤差隨運(yùn)行流量增大而增加，但最大誤差仍可控制在20%以內(nèi)，這表明CFD 方法可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)過(guò)濾分離器的初始?jí)航担ㄟ\(yùn)行時(shí)間1個(gè)月）。

3.2 壓降隨時(shí)間的變化

圖9所示為三臺(tái)過(guò)濾分離器在運(yùn)行時(shí)間t=0年、t=0.5 年與t=1.0 年時(shí)的壓降情況，其中t=0 年時(shí)各過(guò)濾分離器的初始?jí)航担ǜ鼡Q濾芯首月）與圖8中黑點(diǎn)數(shù)據(jù)相同。可見(jiàn)隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)與濾芯粉塵聚結(jié)量的增加，檢測(cè)壓降點(diǎn)將不斷偏離擬合的最優(yōu)二次曲線，R2會(huì)越來(lái)越小，而操作壓力較低的F-1 與F-3 的壓降增速則更低，這主要是因?yàn)镕-3的流速低，而流速越低，在相同摩阻系數(shù)下的阻力越小。

圖8 新濾芯安裝后首月內(nèi)壓降表讀數(shù)與CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖9 各分離過(guò)濾器檢測(cè)壓降隨時(shí)間的變化

圖10 為CFD 數(shù)值模擬結(jié)果，沿程壓降隨計(jì)算時(shí)間呈增大趨勢(shì)，與圖9 中實(shí)際運(yùn)行下的壓降相比，CFD計(jì)算誤差均小于20%?？梢?jiàn)，雖然僅使用初始?jí)航底鳛槟M的初始條件，但由于聚結(jié)腔內(nèi)粉塵的增多，模擬結(jié)果仍可反映分離過(guò)濾器壓降隨時(shí)間的變化過(guò)程。

圖10 CFD模擬壓降隨時(shí)間的變化

3.3 除塵效率隨時(shí)間的變化

圖11 各分離過(guò)濾器除塵效率隨時(shí)間的變化

圖12 不同壓力下運(yùn)行1年后濾芯表面被破壞程度

圖13中紅色柱狀圖為CFD計(jì)算所得除塵效率，F(xiàn)-1的平均除塵效率在t=0年、t=0.5年與t=1.0年下的計(jì)算值分別為75%、59%與49%，其模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)的誤差分別為18%、19%和20%；對(duì)F-2相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果依次為80%、69%與60%，而相應(yīng)誤差分別為13%、19%和20%；對(duì)F-3相應(yīng)的計(jì)算值分別為88%、75%與68%，相應(yīng)誤差為4%、14%和16%，這在一定程度上反映了過(guò)濾分離器的除塵效率隨時(shí)間的變化。

3.4 粉塵流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程

圖14為圖13中過(guò)濾分離器F-1初始10s內(nèi)粉塵流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程，初始時(shí)刻上游粉塵體積分?jǐn)?shù)為100%[見(jiàn)圖14(a)]，下游為30%[見(jiàn)圖14(b)]，除塵效率約為70%。粉塵在0 時(shí)刻進(jìn)入過(guò)濾分離器，在0.1s 時(shí)將在距離入口處最近的濾芯上聚結(jié)，在10s后達(dá)到粉塵流動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡。隨后粉塵在湍流作用下經(jīng)過(guò)復(fù)雜流動(dòng)后才通過(guò)濾芯聚結(jié)，最終進(jìn)入收集腔，因此聚結(jié)腔遠(yuǎn)端粉塵的濃度高于聚結(jié)腔入口和出口的濃度。

圖13 分離過(guò)濾器除塵效率隨時(shí)間變化的模擬結(jié)果

圖14 粉塵流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程

圖15 中F-3 內(nèi)的壓力大多集中在過(guò)濾分離器入口一側(cè)，與F-1和F-2不同的是，其壓力并沒(méi)有快速釋放，并形成高流速區(qū)。由圖16 可知，隨著運(yùn)行壓力的升高，濾芯表面的流速反而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，從14m/s 降到8m/s 左右，這也表明前述F-1 的除塵效率降低最快的事實(shí)與該處流速升高、粉塵顆粒過(guò)快穿過(guò)濾芯有關(guān)。圖16 中濾芯表面流速較高的區(qū)域均位于過(guò)濾分離器聚結(jié)腔和收集腔之間緊密連接的部位，這與圖12(c)所示的過(guò)濾分離器中卸出的濾芯破損位置一致。

圖15 粉塵在濾芯表面的壓力分布

圖16 粉塵在濾芯表面的流速分布

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)比打開輸氣站場(chǎng)實(shí)際過(guò)濾分離器收集粉塵量即除塵量的方法，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和CFD 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。過(guò)濾分離器收集到的粉塵顆粒在濾芯更換時(shí)將被完全清出，然后用20kg 的桶來(lái)計(jì)量其數(shù)量，再減去注入水的質(zhì)量（為防止打開作業(yè)時(shí)粉塵飛揚(yáng)，用5kg 的桶注水共22 桶），由此可得實(shí)際除塵量。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到的除塵量應(yīng)等于進(jìn)入過(guò)濾分離器前的粉塵濃度φparticle、氣體體積流量Vflowrate、運(yùn)行時(shí)間toperation之積，再乘以除塵效率ηefficiency。由于1年聚結(jié)過(guò)程中的除塵效率降低過(guò)程不確定，故采用3 次檢測(cè)（0 年，0.5 年，1 年）后的平均除塵效率作為ηefficiency，如式(27)所示。

圖17(b)反映了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、實(shí)測(cè)與CFD 預(yù)測(cè)三種方法所得的除塵量對(duì)比，可見(jiàn)F-1、F-2 與F-3實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際的誤差依次為4%、10%與15%，而CFD模擬結(jié)果一般高于實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，三臺(tái)過(guò)濾分離器的模擬結(jié)果與實(shí)際的誤差分別為12%、14%與11%。此外，在打開過(guò)濾分離器開時(shí)，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端盲板處粉塵大量流出，如圖17(a)，這與圖14 中的模擬結(jié)果一致，再次證實(shí)CFD 預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

圖17 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

4 結(jié)論

（1）在相同標(biāo)況流量下，操作壓力越低，流速越快，過(guò)濾分離器的局部阻力越大，壓降越高，CFD方法可有效預(yù)測(cè)這一變化過(guò)程。

（2）隨著運(yùn)行時(shí)間的延續(xù)，過(guò)濾分離器的壓降將逐漸偏離擬合的最優(yōu)二次曲線，其除塵效率也將不斷降低，運(yùn)行壓力較低時(shí)下降更快。

（3）CFD模擬與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)所得過(guò)濾分離器的除塵效率可有效反映其實(shí)際性能，二者的誤差均在20%以內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際除塵量進(jìn)一步證實(shí)兩種方法的準(zhǔn)確性與可靠性。

（4）通過(guò)在流體力學(xué)經(jīng)典模型中加入初始?jí)航?流速源項(xiàng)，可基于數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)濾芯效果評(píng)價(jià)，為輸氣站場(chǎng)濾芯的更換提供有力依據(jù)。為了更準(zhǔn)確地描述顆粒的捕集過(guò)程，進(jìn)一步研究應(yīng)考慮濾芯物性同顆粒粒徑、濾芯壓降與操作流量間的非穩(wěn)態(tài)關(guān)系等源項(xiàng)。