高壓天然氣熱物性計(jì)算及在數(shù)值模擬中的應(yīng)用

王鈺甜　石國(guó)立　張英明　梁津?qū)帯堨o

摘????? 要： 天然氣在調(diào)壓過程中隨著溫度和壓力降低，管道局部產(chǎn)生冰堵現(xiàn)象。不同壓力和溫度工況下天然氣的黏度、導(dǎo)熱率和比熱容等熱物性參數(shù)均發(fā)生較大變化，勢(shì)必對(duì)換熱過程產(chǎn)生較大影響。為防止冰堵現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)不同工況下高壓天然氣的熱物性參數(shù)進(jìn)行整合計(jì)算。將天然氣的熱物性參數(shù)用作定義數(shù)值模擬的流體材料，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)基本吻合。提出的高壓氣體整合物性計(jì)算方案為數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)和天然氣工程預(yù)測(cè)提供技術(shù)支撐。

關(guān)? 鍵? 詞：高壓；天然氣；熱物性；整合計(jì)算；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TQ015.2???? ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）11-1660-04

在天然氣的調(diào)壓過程中，天然氣的溫度和壓力都發(fā)生了變化。隨著溫度和壓力的降低，天然氣內(nèi)極少量的水蒸氣甚至發(fā)生了相態(tài)變化，產(chǎn)生局部冰堵問題^[1-3]。冰堵問題對(duì)生產(chǎn)的危害十分巨大，會(huì)造成安全隱患。天然氣水合物的形成直接導(dǎo)致冰堵的產(chǎn)生，預(yù)防冰堵的根本是阻止天然氣水合物的形成。精確計(jì)算不同工況下天然氣的熱力學(xué)參數(shù)可以有效預(yù)防冰堵現(xiàn)象的發(fā)生，為天然氣調(diào)壓輸送過程提供安全保證^[4-5]。

目前對(duì)天然氣的熱物性計(jì)算主要集中在多組分流程模擬研究，流程模擬的準(zhǔn)確性很大程度上取決于物性數(shù)據(jù)的精度。張鐠等利用物性值法計(jì)算天然氣在多種工況下的壓縮因子，提出準(zhǔn)確計(jì)算天然氣熱物性參數(shù)是可靠性設(shè)計(jì)的前提和保障^[6]。韓楚君等提出數(shù)值模擬的工況應(yīng)力求接近實(shí)際，為工程應(yīng)用提供可靠的保障方案^[7]。國(guó)內(nèi)外很多專家和學(xué)者對(duì)低壓和高壓狀態(tài)下的天然氣密度、動(dòng)力黏度等熱物性參數(shù)進(jìn)行了研究，擬合了簡(jiǎn)便的計(jì)算方程進(jìn)行計(jì)算^[8-9]。然而，對(duì)高壓下甲烷含量較高的天然氣調(diào)壓過程中涉及的多個(gè)參數(shù)并未做綜合分析研究。

隨著天然氣的廣泛應(yīng)用，為了對(duì)天然氣的降膜流動(dòng)、管道注氫摻混過程、高壓天然氣非恒定速率泄漏擴(kuò)散等復(fù)雜過程深入了解，數(shù)值模擬成為解決問題的重要途徑^[10-13]。在數(shù)值模擬過程中，同樣需要不同工況下天然氣熱力學(xué)參數(shù)作為計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證數(shù)值模擬的精度和有效性，提高數(shù)值模擬的可靠性。本文對(duì)天然氣中純組分甲烷在升溫和調(diào)壓過程中的多個(gè)壓力和溫度工況下熱物性參數(shù)進(jìn)行整合計(jì)算，舉例說明這些參數(shù)在數(shù)值模擬計(jì)算中應(yīng)用價(jià)值，并為工程預(yù)測(cè)高壓氣體數(shù)值模擬計(jì)算方案提供技術(shù)支撐。

1? 計(jì)算過程與結(jié)果

1.1? 高壓氣體密度計(jì)算

1.2? 高壓氣體黏度計(jì)算

在T_r > 1條件下，較高壓力下求取氣體黏度值時(shí)必須考慮壓力的影響，利用對(duì)比黏度關(guān)聯(lián)式對(duì)高壓氣體的黏度進(jìn)行修正。對(duì)比黏度μ_r是對(duì)比溫度T_r和對(duì)比壓力p_r的函數(shù)，依據(jù)對(duì)比黏度圖^[14]獲得對(duì)比黏度值。天然氣中的主要成分甲烷為非極性氣體，其中臨界黏度μ_c的近似計(jì)算公式為：

1.3? 高壓氣體熱導(dǎo)率計(jì)算

研究表明，在低壓和中壓下，壓力對(duì)氣體導(dǎo)熱率的影響較小，但高壓下氣體導(dǎo)熱率隨壓力提高而增加。對(duì)比導(dǎo)熱率λ_r是對(duì)比溫度T_r和對(duì)比壓力p_r的函數(shù)，依據(jù)對(duì)比導(dǎo)熱率圖^[14]獲得對(duì)比導(dǎo)熱率值。利用對(duì)比密度法求解氣體導(dǎo)熱率λ公式如下。

1.4? 高壓氣體比熱容計(jì)算

1.5? 計(jì)算結(jié)果

為了避免冰堵現(xiàn)象發(fā)生，考慮低溫天氣對(duì)天然氣調(diào)壓過程的影響，本文選取天然氣溫度分別為-40、20、60 ℃，管道壓力分別為1、5、10、15 MPa，計(jì)算了12種工況下天然氣組分甲烷氣體的熱物性參數(shù)。黏度、導(dǎo)熱率和比熱容3種熱物性參數(shù)如?? 表1、表2和表3所示。

2? 數(shù)值模擬實(shí)例

為解決高純度天然氣調(diào)壓過程中的冰堵現(xiàn)象，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了一種燃?xì)夤苈贩辣銣剌o熱裝置^[15]。為了更好地了解該裝置的換熱性能，對(duì)此裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。在模擬計(jì)算中，數(shù)值模擬使用的流體材料高壓天然氣的熱物性由計(jì)算所得數(shù)據(jù)作為支撐，利用分段多項(xiàng)式的形式定義管道內(nèi)氣體在不同壓力和溫度條件下流體熱物性參數(shù)。

2.1? 物理模型

圖1為換熱器中螺旋管道結(jié)構(gòu)圖，其中螺旋管內(nèi)徑為14 mm，螺旋管外為恒溫水浴，水浴溫度為60 ℃。螺旋管道中徑為170 mm，螺距22 mm，?? 8.25圈，高181.5 mm。螺旋管道與直管道部分光滑過渡，同時(shí)必須保證管道截面變形量小于0.5 mm。成型后管道最小壁厚不得小于2.8 mm，內(nèi)部橫截面面積不得小于成型前90%。管道總長(zhǎng)度為5 100 mm，其中螺旋管道部分長(zhǎng)度為4 410 mm。

2.2? 數(shù)值模擬方案

運(yùn)用CFD ANSYS Fluent V16.2軟件進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，管道內(nèi)流體域總網(wǎng)格數(shù)量為?? 566 257。數(shù)值模擬物料選用甲烷純組分氣體為連續(xù)相，湍流模型采用Realizable k-ε模型，密度采用Real-Gas-Redlich-Kwong模型計(jì)算，黏度、導(dǎo)熱率、比熱容輸入表1、表2、表3計(jì)算獲得的3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用分段多項(xiàng)式解得管道內(nèi)氣體在不同壓力和溫度條件下流體熱物性參數(shù)。

壁面采用無滑移壁面，壁面溫度恒定為60 ℃。入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口，壓力、流量和溫度均恒定。出口設(shè)置為壓力出口，無回流。使用SIMPLEC算法耦合壓力和速度，動(dòng)量、湍流動(dòng)能和湍流耗散率離散方程均選擇二階迎風(fēng)格式，各變量殘差收斂精度設(shè)置為10^-4。

2.3? 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2中管道內(nèi)天然氣壓力為15 MPa，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量為50 m³?h^-1，即質(zhì)量流量為0.009 96 kg?s^-1，入口溫度為20 ℃。

由管道內(nèi)氣體溫度分布云圖2（a）可以看出，入口直管和螺旋管道底部一圈流體域溫度變化較小，出口直管和螺旋管道頂部一圈流體域溫度變化較小，螺旋管道中間部分溫度梯度較高。分析表明，直管換熱性能明顯低于螺旋管，螺旋管具有良好的強(qiáng)化換熱性能。管道內(nèi)氣體密度分布圖2（b）表明冷流體密度高于熱流體，沿著流體流動(dòng)方向，流體溫度升高，密度下降。

2.4? 計(jì)算結(jié)果與分析

圖3曲線為換熱器出口溫度數(shù)值模擬結(jié)果，模擬對(duì)應(yīng)工況為：管道內(nèi)天然氣壓力為15 MPa，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量為50 m³?h^-1，入口溫度為-40～40 ℃，壁面溫度恒定為60 ℃。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)工況數(shù)據(jù)為：換熱器入口表壓15 MPa，流量50 m³?h^-1，換熱器入口溫度30.0 ℃，水域溫度均為60 ℃，紅色球體數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，可以看出實(shí)驗(yàn)值在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，數(shù)值計(jì)算獲得的出口溫度略低于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試溫度。

3? 結(jié) 論

1）采用高壓條件下純組分氣體計(jì)算公式計(jì)算了天然氣內(nèi)主要成分甲烷的熱物性參數(shù)，對(duì)不同壓力和溫度工況下的黏度、導(dǎo)熱率和比熱容進(jìn)行整合? 計(jì)算。

2）利用真實(shí)氣體密度計(jì)算模型和熱物性參數(shù)分段多項(xiàng)式函數(shù)定義天然氣材料屬性，數(shù)值模擬了螺旋管道內(nèi)高壓條件下天然氣加熱過程。

3）數(shù)值模擬獲得的管道出口天然氣溫度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)工況基本吻合，本文的高壓氣體數(shù)值模擬方案可以為工程計(jì)算和預(yù)測(cè)提供參考

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Calculation of Thermophysical Properties of High Pressure

Natural Gas and Its Application in Numerical Simulation

WANG Yu-tian SHI Guo-li ZHANG Ying-ming LIANG Jin-ning ZHANG Jing

（1. Liaoning Vulcan Natural Gas Sales Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110178， China;

2. Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：? During the pressure regulation process of natural gas， ice blockage occurs locally in the pipeline as the temperature and pressure decreas. The viscosity， thermal conductivity， and specific heat capacity of natural gas undergo significant change under different pressure and temperature conditions， which inevitably has a significant impact on the heat transfer process. To prevent the ice blockage， the thermophysical parameters of high-pressure natural gas were conformity calculated. The thermophysical parameters of natural gas were used as the fluid material for defining numerical simulations， and the calculation results were consistent with the data obtained from on-site experiments. The high-pressure gas integrated physical property calculation scheme proposed in this paper provides technical support for numerical simulation and engineering prediction.

Key words： High pressure; Natural gas; Thermophysical property; Conformity calculation; Numerical simulation