MRU系統(tǒng)中循環(huán)加熱器的數(shù)值模擬研究

胡 凱 吳 巍 鄒 迪 楊寶安 朱曉麗 劉宗園

1. 中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司, 天津 300131;

2. 安潔行方流體管理技術(shù)有限公司, 四川 成都 610207;

3. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)石大山能新能源學(xué)院, 山東 青島 266555

0 前言

乙二醇回收(MEG Reclamation Unit，MRU)系統(tǒng)是保證天然氣安全高效開采與輸送的核心裝備之一,專門用于接收來(lái)自于生產(chǎn)工藝系統(tǒng)(三相分離器)中的富乙二醇溶液,經(jīng)分離再生后生成技術(shù)指標(biāo)(含鹽量、濃度、pH值等)合格的貧乙二醇溶液,并將其輸送至井口注入點(diǎn)循環(huán)使用。循環(huán)加熱器又稱換熱器,專門用于不同溫度乙二醇溶液的熱量交換和傳遞,是MRU系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一。本文借助數(shù)值模擬的手段,分別研究全焊接板式及螺旋板式換熱器內(nèi)鹽顆粒的運(yùn)動(dòng)與分布規(guī)律,并對(duì)可能發(fā)生的顆粒沉積甚至堵塞換熱器的狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)[1-3],從而為MRU系統(tǒng)循環(huán)加熱器的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值建模

全焊接板式換熱器屬于一種新型緊湊式換熱器,結(jié)構(gòu)見圖1[4]。全焊接板式換熱器內(nèi)冷熱流體由上往下交替流入板間流道進(jìn)行換熱,且冷流體與熱流體的總體流動(dòng)方向互相垂直,使它們之間的換熱進(jìn)行得更加充分。板片結(jié)構(gòu)是由規(guī)則排布的凹槽(肋片)和凸臺(tái)構(gòu)成,有利于增強(qiáng)換熱介質(zhì)的擾動(dòng),并增大換熱面積[5-7]。螺旋板式換熱器包含2個(gè)同心螺旋流道的圓形單元,結(jié)構(gòu)見圖2[8]。冷熱流體中的一股從螺旋板式換熱器的中心進(jìn)入并流向外圍,另一股從設(shè)備外圍進(jìn)入并向中心流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)冷熱流體的逆流流動(dòng)[9-11]。

圖1 全焊接板式換熱器示意圖Fig.1 Schematic diagram of detachable all-welded plate heat exchanger

圖2 螺旋板式換熱器示意圖Fig.2 Schematic diagram of spiral type heat exchanger exchanger

全焊接板式換熱器和螺旋板式換熱器相比于傳統(tǒng)類型的換熱器具有換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)勢(shì)[12-15]。然而,海上MRU系統(tǒng)的塔釜循環(huán)液中含有一定濃度的固體鹽顆粒,由于換熱板之間流道狹窄,鹽顆粒分布狀態(tài)與可能發(fā)生的沉積堵塞換熱器的狀況需要重點(diǎn)考慮。

板片結(jié)構(gòu)對(duì)全焊接板式換熱器的傳熱和流阻特性有顯著的影響,板片結(jié)構(gòu)的參數(shù)決定了換熱器的綜合性能[16-19]。因此,在不影響數(shù)值模擬計(jì)算精度及模擬結(jié)果的可靠性基礎(chǔ)上,適當(dāng)簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算模型,節(jié)約計(jì)算成本,本文即針對(duì)兩組板片組成的循環(huán)液的流動(dòng)與分布開展數(shù)值模擬研究,屬于典型的液固兩相流問題[20-23]。

圖3 全焊接板式換熱器板對(duì)數(shù)值建模圖Fig.3 Numerical modeling of all-welded plate heat exchanger plate pair

板對(duì)幾何結(jié)構(gòu)建模、邊界條件設(shè)置以及網(wǎng)格劃分見圖3。數(shù)值模擬MP-PIC方法,以商用軟件BarracudaTM為計(jì)算平臺(tái),該方法具有顆粒處理量上的優(yōu)勢(shì),將一定數(shù)量具有相同性質(zhì)的顆粒進(jìn)行打包處理,計(jì)算過程中追蹤每個(gè)計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng),從而極大地減少了需要追蹤的顆粒數(shù)。在數(shù)值求解過程中,將流體信息從歐拉網(wǎng)格插值到單個(gè)顆粒,并將歐拉網(wǎng)格內(nèi)所有顆粒信息的統(tǒng)計(jì)平均值傳回歐拉網(wǎng)格,從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)流體相和離散顆粒相的耦合。

螺旋板式換熱器見圖4。其中,97%MEG循環(huán)液對(duì)應(yīng)冷流體通道,從設(shè)備外圍通道(B1)進(jìn)入,中心通道(B2)流出。根據(jù)圖4尺寸,對(duì)冷流體通道進(jìn)行幾何建模、邊界條件設(shè)置以及網(wǎng)格劃分。

相關(guān)螺旋板式換熱器循環(huán)加熱器操作條件和介質(zhì)物性參數(shù)設(shè)置見表1。數(shù)值模擬針對(duì)MEG循環(huán)液不同含鹽質(zhì)量含量(0.18%、5%、10%、15%)工況開展。將鹽顆粒粒徑導(dǎo)入計(jì)算程序,所擬合得到的鹽顆粒粒徑累計(jì)含量分布曲線見圖5。

圖4 螺旋板式換熱器數(shù)值建模圖Fig.4 Numerical modeling of spiral type heat exchanger

表1 循環(huán)加熱器操作條件及物性參數(shù)表Tab.1 Operating conditions and physical parameters of recirculation heater

圖5 鹽顆粒粒徑累計(jì)含量分布曲線圖Fig.5 Cumulative content distribution curve of Salt particle size

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 全焊接板式換熱器流場(chǎng)特性

2.1.1 流場(chǎng)與壓力分布

通過數(shù)值模擬,可獲得板對(duì)間壓力分布、速度矢量分布以及鹽顆粒濃度分布。以固含率0.18%和15%的含鹽MEG進(jìn)料為例,將數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行展示和分析。分析結(jié)果顯示：板對(duì)入口至出口壓力逐漸降低,壓降產(chǎn)生的主要原因包括流道凹凸結(jié)構(gòu)造成的沿程壓力損失、局部壓力損失以及顆粒阻力。固含率0.18%和固含率15%兩種進(jìn)料工況對(duì)比發(fā)現(xiàn),在MEG循環(huán)液流量一致的條件下,固含率15%時(shí)的板對(duì)壓降明顯高于固含率0.18%時(shí)的板對(duì)壓降,說明鹽顆粒濃度高造成的阻力損失大,與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)一致。

固含率0.18%和固含率15%對(duì)兩種進(jìn)料條件下板對(duì)間速度矢量分布進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示：由于凹槽(肋片)和凸臺(tái)的存在,破壞了壁面穩(wěn)定的邊界層,對(duì)流體產(chǎn)生擾動(dòng),在擾流結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)局部速度最大值。固含率0.18%和固含率15%工況下速度矢量分布一致,固含率0.18%的低含鹽量工況下流體速度數(shù)值略高于固含率15%的高含鹽量工況的流體速度。

對(duì)兩種進(jìn)料條件下板間的顆粒分布進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示：固含率0.18%時(shí),鹽顆粒在凹槽內(nèi)的沉積現(xiàn)象不明顯；固含率15%時(shí),凹槽內(nèi)鹽顆粒濃度明顯高于板面其余位置,出現(xiàn)鹽顆粒濃度聚集區(qū)。分析來(lái)看,流體在凹槽處流通面積增大,流速降低,鹽顆粒容易與液體發(fā)生分離,在重力作用下向凹槽內(nèi)沉積。

2.1.2 鹽顆粒運(yùn)動(dòng)與分布

除連續(xù)相流場(chǎng)特性外,基于連續(xù)—離散相耦合的數(shù)值模擬方法還可提供鹽顆粒在板對(duì)流域內(nèi)的時(shí)空分布狀況。隨固含率的升高,板對(duì)間顆粒數(shù)量和體積分?jǐn)?shù)明顯增加;顆粒在板面上并非均勻分布,而是隨著板面的凹凸結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“束狀”分布;固含率15%時(shí),板面上出現(xiàn)局部鹽顆粒濃度聚集區(qū)。

在不同的固含率條件下,鹽顆粒速度分布特征基本一致,即沿上、下相互交叉的冷熱流體板面結(jié)構(gòu),速度數(shù)值發(fā)生有規(guī)律的波動(dòng),這反映了擾流、旋渦和二次流有關(guān)。

2.2 螺旋板式換熱器流場(chǎng)特性

2.2.1 流場(chǎng)與壓力分布

圖6為螺旋板式換熱器內(nèi)含鹽MEG貧液(冷流體)通道內(nèi)的壓力與速度矢量分布,對(duì)應(yīng)的鹽顆粒固含率為15%。由圖6可知,含鹽MEG貧液從設(shè)備外圍通道進(jìn)入螺旋板式換熱器至中心通道流出過程中,壓力逐層降低,在出口處壓力達(dá)到最低值。速度分布規(guī)律為:入口管道與螺旋板的連接處,由于流通面積驟減,液體速度顯著增大;在螺旋板主體空間內(nèi),由于管道流通面積一致,液體速度數(shù)值基本保持不變;在螺旋板中心出口位置,由于流通面積增大,液體速度有所降低,含鹽MEG循環(huán)液最終從中心管道排出。

a)壓力分布a)Pressure distribution

b)速度矢量分布b)Velocity vector distribution

2.2.2 鹽顆粒運(yùn)動(dòng)與分布

模擬螺旋板式換熱器內(nèi)瞬態(tài)鹽顆粒運(yùn)動(dòng)與分布,包括體積分?jǐn)?shù)分布、速度分布、粒徑分布以及鹽顆粒在螺旋板式換熱器內(nèi)的停留時(shí)間,對(duì)應(yīng)固含率15%。由于螺旋板式換熱器內(nèi)流道光滑,無(wú)擾流結(jié)構(gòu)和局部流通面積的突變,因此鹽顆粒在其中的運(yùn)動(dòng)分布狀態(tài)較為均勻。鹽顆粒速度分布與MEG循環(huán)液的速度分布特征一致,即在入口管道與螺旋板的連接處速度達(dá)到最大值,螺旋板主體空間內(nèi)速度數(shù)值基本保持不變,中心出口處速度降低。

圖6結(jié)果顯示，在螺旋板主體流道內(nèi),不同粒徑的鹽顆粒摻混較為均勻,未出現(xiàn)明顯的鹽顆粒粒徑分層現(xiàn)象。分析該現(xiàn)象的原因?yàn)椋阂环矫纣}顆粒在螺旋板內(nèi)旋流運(yùn)動(dòng),在離心力作用下鹽顆粒傾向于沿流道外側(cè)運(yùn)動(dòng);另一方面,在重力作用下鹽顆粒向下運(yùn)動(dòng)。兩種原因作用的影響基本相當(dāng),因此鹽顆粒表現(xiàn)出較為均勻的空間位置、速度和鹽顆粒粒徑分布狀態(tài)。在流量14 939.82 kg/h與固含率15%條件下,鹽顆粒從螺旋板入口至出口的停留時(shí)間約20 s。

2.3 鹽顆粒質(zhì)量流量分析

進(jìn)一步對(duì)兩種結(jié)構(gòu)換熱器進(jìn)出口鹽顆粒質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。0.18%、0.5%、10%、15%不同固含率條件下,全焊接板式換熱器板對(duì)進(jìn)出口、螺旋板式換熱器MEG進(jìn)出口的鹽顆粒質(zhì)量流量變化曲線見圖7～8。

a)固含率0.18%a)Solid content is 0.18%

b)固含率5%b)Solid content is 5%

c)固含率10%c)Solid content is 10%

d)固含率15%d)Solid content is 15%

a)固含率0.18%a)Solid content is 0.18%

b)固含率5%b)Solid content is 5%

c)固含率10%c)Solid content is 10%

d)固含率15%d)Solid content is 15%

由于全焊接板式換熱器每個(gè)流程包含5個(gè)板對(duì),因此單板對(duì)間MEG貧液流量為系統(tǒng)總流量的1/5。由圖7可以看出,自初始時(shí)刻至約計(jì)算時(shí)間0.2 s時(shí),板對(duì)出口開始監(jiān)測(cè)到鹽顆粒流出,隨后,出口鹽顆粒質(zhì)量流量增加,進(jìn)而基本保持穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。將0.5～2 s時(shí)間段內(nèi)取平均,得到四種固含率工況下板對(duì)出口鹽顆粒質(zhì)量流量分別為0.001 39 kg/s、0.041 5 kg/s、0.082 9 kg/s、0.124 kg/s,計(jì)算得到板對(duì)進(jìn)出口鹽顆粒質(zhì)量比分別為100%、100%、99.88%、99.60%。由此可見,在MEG循環(huán)液固含率高于10%時(shí),出口鹽顆粒質(zhì)量流量相對(duì)于進(jìn)口有一定的損耗,說明部分鹽顆粒在板對(duì)內(nèi)沉積。鹽顆粒若不能及時(shí)排出,將會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)在換熱器板對(duì)間沉積,由于板式換熱器流道狹窄,鹽顆粒沉積使得流道進(jìn)一步變窄,最終可能導(dǎo)致堵塞流道,造成非常嚴(yán)重的后果。

根據(jù)圖8中鹽顆粒質(zhì)量流量曲線,取20～30 s內(nèi)的平均值,得到四種固含率工況下螺旋板式換熱器出口鹽顆粒質(zhì)量流量分別為0.006 944 kg/s、0.207 500 kg/s、0.415 000 kg/s、0.622 400 kg/s,計(jì)算得到MEG進(jìn)出口鹽顆粒質(zhì)量比均能達(dá)到100%。由此可見,螺旋板式換熱器流道光滑,鹽顆粒具有較好的隨流性,分布均勻不容易發(fā)生鹽顆粒的沉積。

將不同固含率條件下,兩種換熱器進(jìn)出口鹽顆粒質(zhì)量流量與效率計(jì)算結(jié)果匯總,見表2。全焊接板式換熱器在固含率10%以上時(shí),出口與入口鹽顆粒質(zhì)量比低于100%,反映了部分鹽顆粒在板對(duì)內(nèi)的沉積;螺旋板式換熱器即使在固含率高達(dá)15%時(shí),出口與入口鹽顆粒質(zhì)量比也能達(dá)到100%,說明了鹽顆粒不易在換熱器內(nèi)部沉積。

表2 不同結(jié)構(gòu)和操作工況下鹽顆粒分離效率表Tab.2 Salt particle separation efficiency under different structure and operating conditions

3 結(jié)論

1)以連續(xù)相與離散相耦合的方式,建立了全焊接板式換熱器單板對(duì)、螺旋板式換熱器內(nèi)MEG貧液—鹽顆粒的液固流動(dòng)數(shù)值模型,獲得了以上兩種換熱器內(nèi)流場(chǎng)分布和鹽顆粒運(yùn)動(dòng)分布的特征。

2)全焊接板式換熱器板片結(jié)構(gòu)復(fù)雜,凹槽(肋片)和凸臺(tái)對(duì)流體產(chǎn)生擾動(dòng),鹽顆粒在板對(duì)內(nèi)的分布不均勻,特別是在固含率15%條件下容易在凹槽內(nèi)沉積,加之兩層板片之間流道狹窄,有局部堵塞換熱器的可能。

3)螺旋板式換熱器內(nèi)流道光滑,無(wú)擾流結(jié)構(gòu)和局部流通面積的突變,鹽顆粒分布狀態(tài)均勻,不利于懸浮鹽顆粒在換熱器內(nèi)的沉積。由于MRU系統(tǒng)脫鹽工藝中鹽含量較高,為防止換熱器堵塞,螺旋板式換熱器更適合作為MRU脫鹽工藝的循環(huán)加熱器。