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球閥處硫顆粒運移沉降規(guī)律數(shù)值模擬研究*

2016-03-15 11:17:26 安裝信息網(wǎng)

陳磊1，李長俊2，陳尚周1

（1．中國石化上海海洋油氣分公司工程院，上海200120；2．西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500）

摘要：元素硫在集輸管道中沉積會引起堵塞和腐蝕問題，球閥處是集輸管道中較易出現(xiàn)大量硫沉積的部位之一。為此，采用數(shù)值模擬的方法研究高含硫天然氣中析出的硫顆粒在球閥處的運移沉降規(guī)律，選用雷諾應(yīng)力模型模擬球閥處的流場，選用Lagrange顆粒軌道模型追蹤硫顆粒在球閥處的運動軌跡，探討影響硫顆粒在球閥處沉積的因素。結(jié)果表明：氣流進(jìn)入球閥內(nèi)將會出現(xiàn)壓力損失和流動分離，氣流進(jìn)口速度和球閥開度會對流場產(chǎn)生影響；硫顆粒在球閥處的沉積率隨氣流流速和顆粒直徑的增大而增大，隨球閥開度的增大而減��；重力和離心力是造成硫顆粒在球閥處出現(xiàn)大量沉積的重要原因。

關(guān)鍵詞：硫沉積；球閥；流場；硫顆粒；沉積率；數(shù)值模擬

中圖分類號：X937；TE 319 doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 01. 017

0 引言

高含硫天然氣在從地層到地面集輸系統(tǒng)的過程中，隨著壓力、溫度等條件的變化，溶解在氣體中的單質(zhì)硫可能會以顆粒狀物的形式析出，當(dāng)析出的硫顆粒不能被氣流攜帶走時，就會發(fā)生硫顆粒的沉積現(xiàn)象。硫沉積被認(rèn)為是高含硫天然氣集輸?shù)娜箅y題之一，其不僅會堵塞管道、影響設(shè)備工作性能，還會腐蝕管道和設(shè)備的鋼材。目前，國內(nèi)外學(xué)者對硫沉積的熱力學(xué)過程（溶解與析出）做了大量的研究工作。但是對硫沉積的動力學(xué)過程（運移與沉降）研究還較少�，F(xiàn)場實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，集輸管線中一些局部構(gòu)件（如彎管、閥門等）處更易出現(xiàn)大量的硫沉積現(xiàn)象，而運用流體相平衡的熱力學(xué)理論并不能很好地解釋此現(xiàn)象的發(fā)生。為此，需要從流體動力學(xué)角度進(jìn)一步研究硫顆粒在管道中運移沉降的規(guī)律，明確局部構(gòu)件中出現(xiàn)大量硫沉積的原因。

忽略局部構(gòu)件中少量液體的影響，可以近似認(rèn)為硫顆粒在局部構(gòu)件中的運移沉降屬于氣固兩相湍流流動。目前，研究硫顆粒的運移沉降規(guī)律可以采用理論、實驗或者數(shù)值模擬的方法，理論研究對于一些復(fù)雜工況條件的分析還存在一定的困難性；實驗研究是最為直觀的方

法，但其經(jīng)濟性低、危險性高；而數(shù)值模擬具備操作方便、簡單、成本低、預(yù)測效果好等優(yōu)點，是目前廣為使用的一種方法。運用CFD技術(shù)研究了水平彎管內(nèi)硫顆粒運移沉降的規(guī)律，認(rèn)為氣流速度、顆粒直徑和彎曲比等是影響硫顆粒運移沉降的主要因素；運用CFD技術(shù)研究了閥門處硫顆粒運移沉降的規(guī)律，但僅僅探討了閥門開度對硫顆粒運移沉降的影響。因此，筆者將在研究的基礎(chǔ)上運用FLUENT軟件首先對常見閥門（球閥）處的流場進(jìn)行分析，然后探討不同因素對硫顆粒在球閥處運移沉降規(guī)律的影響。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 氣相及顆粒相模型

研究閥門處硫顆粒運移沉降規(guī)律時，首先需要選擇合適的湍流模型描述球閥處復(fù)雜的流場，F(xiàn)LUENT軟件提供的眾多湍流模型中，能夠較為成功描述的是雷諾應(yīng)力( RSM)模型。因此，本模擬計算過程中，對氣相模擬選用RSM模型，其湍流控制方程這里將不再詳述，可見。閥門內(nèi)流動天然氣的組分如表1所示。

硫顆粒從高含硫氣體中析出之后隨氣流一起在球閥內(nèi)運動屬于稀疏氣固兩相流，目前，一般采用顆粒軌道模型來描述顆粒相的運動。因此，應(yīng)用FLUENT軟件進(jìn)行模擬計算時，對顆粒相可以選用離散相模型( DPM)，其控制方程這里也不再詳述。

1.2物理模型及網(wǎng)格劃分

選取開度為25%、50%和75%的球閥作為研究對象，球閥的通道直徑為200 mm，為保證球閥內(nèi)氣流湍流運動的穩(wěn)定性，在球閥進(jìn)出口處分別附加一定相等長度的直管段，使進(jìn)口到出口的總長為1200 mm。以流向為z軸，重力方向為y軸負(fù)方向，進(jìn)口中心位置為坐標(biāo)原

點。以開度為25%的球閥模型為例，由于球閥流道模型較為復(fù)雜，故對全流域劃分四面體網(wǎng)格，并對球閥內(nèi)通道處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，劃分網(wǎng)格的尺度可以通過設(shè)置全流域體網(wǎng)格尺寸及加密處體網(wǎng)格尺寸來加以控制。依據(jù)壁面函數(shù)法對于壁面區(qū)域網(wǎng)格的要求來進(jìn)行球閥流域邊界層網(wǎng)格的劃分，邊界層網(wǎng)格第一層的高度設(shè)置為6 mm，增長率設(shè)置為1.1，邊界層層數(shù)設(shè)置為4層，從而可以將壁面大部分區(qū)域的y+值控制在30~ 60之間。而根據(jù)網(wǎng)格無關(guān)性驗證的結(jié)果，確定了全流域體網(wǎng)格尺寸為10 mm，加密處體網(wǎng)格尺寸為5 mm，最終對全流域劃分共產(chǎn)生了1 351 375個節(jié)點，1 794 374個面，877 699個控制體。采用同樣的方法對開度50%和75%的球閥進(jìn)行網(wǎng)格劃分，開度為50%的球閥共產(chǎn)生了172 057個節(jié)點，1 766 726個面，864 927個控制體，開度為75%的球閥共產(chǎn)生了177 150個節(jié)點，1 804 676個面，882 227個控制體，劃分的網(wǎng)格如圖1所示。

1.3邊界條件

FLUENT軟件模擬計算時需要確定的邊界條件包括：進(jìn)出口邊界條件和壁面條件，同時應(yīng)分別定義氣相和離散相的邊界條件。

1.3.1 氣相流場邊界條件

進(jìn)口處選用速度人口作為邊界條件，即在管段入口處定義氣流的人口速度，根據(jù)《高含硫化氫氣田地面集輸系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》( SY/T 0612-2008)，高含硫天然氣集輸管道管內(nèi)氣體的流速宜控制在3~6 m/s。因此，數(shù)值模擬時人口的氣體流速選取3 m/s、4 m/s、5 m/s和6 m/s。同時入口處還要對邊界層和完全發(fā)展的湍流流動進(jìn)行描述，本模擬選用的是輸入湍流強度和水力直徑。運用以下經(jīng)驗公式可以計算湍流強度：

式中：U ave為平均流速，m/s；DH為水力直徑，m。為了保證流場計算時的收斂，出口處的邊界條件選用出流邊界。本模擬中壁面為管壁，因此選取默認(rèn)的固體壁面無滑移條件。

1.3.2 離散相邊界條件

在管段人口設(shè)置面射流源，顆粒進(jìn)口速度與氣流速度相等，顆粒類型選取硫顆粒，其密度為2 046 kg/m3，根據(jù)D．J．Pack對沉積硫微觀狀態(tài)的研究成果，本模擬主要選取粒徑為10 μm、20 μm、40μm、60μm 、80 μm和100μm的硫顆粒進(jìn)行研究。模擬計算時需要控制單位時間內(nèi)進(jìn)入球閥流域內(nèi)硫顆粒的數(shù)目一定，同時又需要控制硫顆粒的體積濃度符合DPM模型的要求，硫顆粒的體積濃度可以通過式(3)計算得到。經(jīng)反復(fù)計算確認(rèn)，可以將所有模擬組次中硫顆粒的質(zhì)量流量均設(shè)置為2×10-4kg/s。硫顆粒到達(dá)入口或出口邊界后將逃逸，壁面選用捕捉邊界條件。

式中：a為硫顆粒體積濃度，% ,mp為硫顆粒質(zhì)量流量，kg/s；dm為管道人口面的直徑，m; uin為氣流的人口流速，m/s。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 流場分析

圖2和圖3表示球閥開度為50%，氣流進(jìn)口速度為3 m/s和5 m/s時，球閥y=0截面上的壓力和速度分布。從圖2 (a)和圖3(a)中的壓力分布可以看出，當(dāng)流體還未流經(jīng)球閥時，其在上游直管段處的壓力分布較為均勻且壓力大小變化不大；當(dāng)流體流經(jīng)球閥時，由于球閥入口處的過流通道突然變窄，此處的流體出現(xiàn)了壓力損失；當(dāng)流體流經(jīng)球閥出口處時，同樣由于過流通道的突變而使流體壓力發(fā)生了較大的損失。比較3 m/s和5m/s流速情況下的壓力分布圖可以發(fā)現(xiàn)，壓力損失隨著氣流進(jìn)口速度的增大表現(xiàn)為減小的趨勢。根據(jù)速度分布圖可看出，當(dāng)流體還未流經(jīng)球閥時，其在上游直管段處的速度分布較為均勻且速度大小變化不大；當(dāng)流體流經(jīng)球閥時，由于球閥入口處的過流通道突然變窄，此處的流體速度變化較大且出現(xiàn)流動分離的現(xiàn)象，球閥通道內(nèi)右側(cè)的速度明顯大于左側(cè)；當(dāng)流體流經(jīng)球閥出口處時，同樣由于過流通道的突變而使流體速度發(fā)生較大的變化，并且流體在球閥出口處附近向一側(cè)旋轉(zhuǎn)聚集，并在另一側(cè)形成低速區(qū)。

圖4和圖5表示氣流進(jìn)口速度為4 m/s，球閥開度為25%和75%時，球閥y=0截面上的壓力和速度分布。從圖中可看出，球閥前后的壓力損失、球閥出口處的流速都隨著球閥開度的增大表現(xiàn)為減小的趨勢。對于25%開度的球閥而言，由于較大壓差的存在，球閥的出口段形成一個較大的強烈漩渦回流，當(dāng)開度增大到75%時，流道內(nèi)部的渦流已明顯減�。ɑ鞠В�

2.2 硫顆粒運移沉降規(guī)律

分析硫顆粒在球閥內(nèi)的運動情況對于研究球閥處硫顆粒運移沉降的規(guī)律至關(guān)重要，而研究硫顆粒的運動情況則需對比不同工況下硫顆粒在球閥內(nèi)的質(zhì)量濃度分布，這里主要對比球閥不同開度的情況下硫顆粒在球閥內(nèi)的質(zhì)量濃度分布。圖6為氣流進(jìn)口速度為5 m/s，硫顆粒粒徑為10μm ，球閥開度為25%、50%和75%時，球閥y=0截面上硫顆粒的質(zhì)量濃度分布情況，明顯可以發(fā)現(xiàn)隨著球閥開度的增大，通過球閥處的硫顆粒也越多。沉積率是考察硫顆粒在球閥處運動情況的重要參數(shù)之一，它的定義如式(4)所示：

式中：N d e p為管壁沉積的顆粒數(shù)目；N out為穿越管段的顆粒數(shù)目。

2.2.1 氣流速度對沉積的影響

圖7表示粒徑為20 μm的硫顆粒通過25%、50%和75%開度的球閥時，不同氣流速度對其在球閥處沉積情況的影響。從圖中可看出．閥門開度一定時，硫顆粒在球閥處的沉積率隨著氣流進(jìn)口速度的增大而增大，這是因為隨著氣流進(jìn)口速度的增大，氣流的湍流強度不斷增大，氣流中硫顆粒的運動也就更加劇烈，與閥芯以及管壁碰撞的機率不斷增加。同時，速度越大的硫顆粒更容易穿越閥門壁面的湍流層而發(fā)生沉積現(xiàn)象。從圖中還可以看出，雖然隨著氣流速度的增大，硫顆粒在閥門處的沉積率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但是這種變大的趨勢相對較小。

2.2.2 顆粒直徑對沉積的影響

圖8表示硫顆粒隨5 m/s的氣流通過50 %開度的球閥時，不同顆粒直徑對其在球閥處沉積情況的影響。從圖中可看出，硫顆粒在球閥處的沉積率隨著粒徑的增大而增大，并且當(dāng)硫顆粒的粒徑為80 μm時，硫顆粒的沉積率達(dá)到100%，由此可見顆粒直徑對沉積率的影響較大。這主要有兩點重要原因：首先，硫顆粒在球閥處的沉積主要受重力作用的影響，隨著粒徑的增大，硫顆粒受重力作用增強，其懸浮于氣流中所需的力也更大，也更難隨氣流一起在球閥內(nèi)運動，從而引起硫顆粒沉積率的增大；同時，隨著粒徑的增大，硫顆粒的自身慣性也增大，當(dāng)硫顆粒流經(jīng)球閥處時需穿越兩次過流面積突變的地方，粒徑較大的硫顆粒在慣性力的作用下更易保持其自身的運動方向，從而與閥芯以及管壁發(fā)生碰撞，并穿越壁面附近的湍流邊界層而在壁面上沉積。

2.2.3球閥開度對沉積的影響

圖9表示粒徑為20μm 的硫顆粒隨4 m/s的氣流通過球閥時，不同球閥開度對其在球閥處沉積情況的影響。從圖中可看出，硫顆粒在球閥處的沉積率隨著閥門開度的增大而減小。球閥開度的增大意味著氣流過流面積的增大，硫顆粒與閥芯以及管壁碰撞的機率減小，更多的硫顆粒會被氣流攜帶到球閥下游，硫顆粒的沉積率也就會大大降低。同時球閥開度的改變也會造成球閥處壓力溫度的變化，隨著開度的減小，壓力、溫度會出現(xiàn)不同程度的降低，此時氣體中也會析出更多的硫顆粒，進(jìn)而與閥芯以及管壁發(fā)生碰撞而沉積，這也是球閥處易出現(xiàn)大量硫沉積的另外一個重要原因。此外，由于球閥開度的影響，硫顆粒在球閥內(nèi)的運動不再是直管段中的直線運動，而是變?yōu)閺澒苤械那€運動，其在離心力的作用下也更易發(fā)生沉積。