天然氣管道直管段結(jié)垢速率數(shù)值模擬研究*
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王 博1，李長(zhǎng)俊1，杜 強(qiáng)1,2，賈文龍1
（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川西北氣礦，四川江油621709）
摘要：為了探究天然氣集輸管道運(yùn)行中結(jié)垢速率的影響因素，基于FLUENT軟件建立了天然氣集輸管道結(jié)垢速率數(shù)值模擬模型。結(jié)合川西北天然氣管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，定量分析了管道壓力、溫度、垢粒子濃度和流速對(duì)結(jié)垢速率的影響。結(jié)果表明，管道壓力、介質(zhì)流速與結(jié)垢速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，介質(zhì)溫度、粒子濃度與結(jié)垢速率呈正相關(guān)關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)適當(dāng)增大氣田采出水的壓力和流速，降低介質(zhì)溫度來(lái)達(dá)到抑制結(jié)垢發(fā)生的目的；并且還分析了Ca CO3顆粒在直管段處的生成與沉積規(guī)律。
關(guān)鍵詞：結(jié)垢模型；結(jié)垢速率；影響因素；數(shù)值模擬；Ca CO3顆粒
中圖分類號(hào)：X937 doi：10. 117 31/j．issn．1673 -193x．2016. 02.017
0 引言
川西北氣礦的氣田產(chǎn)出水具有堿度、礦化度高的特點(diǎn)，含有Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、CO32+、S O i 42-和HCO3-等成垢離子。天然氣管道結(jié)垢機(jī)理研究是進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測(cè)、防垢除垢措施選擇的基礎(chǔ)。結(jié)垢速率預(yù)測(cè)是對(duì)結(jié)垢問(wèn)題的動(dòng)力學(xué)描述。引起天然氣集輸管道結(jié)垢的因素主要是流體中的成垢離子和懸浮顆粒。
F．HUI總結(jié)了評(píng)估垢形成速率的方法，其中電化學(xué)方法包括計(jì)時(shí)電流法，計(jì)時(shí)電流與石英微天平結(jié)合法，電化學(xué)阻抗法；非電化學(xué)方法包括關(guān)鍵pH法，加熱法，蒸發(fā)法，脫CO2法（含LCGE法，快速控制沉淀法，聚合物結(jié)垢實(shí)驗(yàn)法和持續(xù)實(shí)驗(yàn)法）。C．Gabrielli采用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)，通過(guò)測(cè)量阻抗獲得垢的電阻和電容，進(jìn)而得到垢的致密度和厚度，結(jié)合石英微天平測(cè)定電流質(zhì)量曲線，計(jì)算結(jié)垢量。Brahim在FLUENT軟件上進(jìn)行CFD模擬，計(jì)算垢厚度和垢密度，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)固體表面熱通量分布，預(yù)測(cè)垢熱阻以及垢層溫度分布。
本文主要針對(duì)管道結(jié)垢，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，有針對(duì)性地開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)水樣、垢樣成分以及影響因素的實(shí)驗(yàn)分析；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究天然氣管道的結(jié)垢機(jī)理以及結(jié)垢速率的影響因素；以實(shí)驗(yàn)和理論研究成果為基礎(chǔ)，探究天然氣集輸管道防垢措施，最終達(dá)到減少天然氣集
輸管道結(jié)垢，提高集輸系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低生產(chǎn)安全隱患的目的。
1 天然氣集輸管道結(jié)垢實(shí)驗(yàn)分析
本文調(diào)研了川西北氣礦邛西區(qū)塊的管網(wǎng)布置情況，并采集了邛西6井、白馬8井的水樣以及垢樣，見(jiàn)圖1、圖2和表1。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，邛西6井站場(chǎng)結(jié)垢現(xiàn)象比較普遍，整個(gè)地面設(shè)備基本上均有結(jié)垢。井口至分離器管線，分離器至蓄水罐的兩條管線，4個(gè)蓄水
罐以及蓄水罐進(jìn)泵管線結(jié)垢比較明顯。其中結(jié)垢比較嚴(yán)重的管道有兩處；分離器至蓄水罐的兩條管線，蓄水罐進(jìn)泵管線。白馬8井是一口注水井，閥門(mén)和泵等地面設(shè)備較多。而且注水井每天處理水量較大，達(dá)到了450m3/d。其結(jié)垢區(qū)域有：3個(gè)蓄水罐，蓄水罐至泵的管線以及泵到井口的管線。結(jié)垢較為嚴(yán)重的是蓄水罐至泵的管線。嚴(yán)重的結(jié)垢給白馬8井的設(shè)備安全和井站的正常運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。
采用液相離子色譜法分析了水樣中的離子種類及濃度，發(fā)現(xiàn)水樣具有高堿度、高礦化度的特點(diǎn)，特別含有較高濃度的HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Ba2+和Sr2+等成垢離子，容易在管道內(nèi)結(jié)垢。
采用掃描電子顯微鏡法、高溫失重法、X射線能譜分析( EDX)和X射線衍射分析法(XRD)對(duì)邛西6井和白馬8井垢樣的微觀形貌、垢樣的組成進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)邛西6井的垢樣中碳酸鈣垢約占85%，并夾雜10%腐蝕垢物；白馬8井的結(jié)垢物中碳酸鈣的含量約為85%，夾雜約6%腐蝕垢物。
2 管道結(jié)垢機(jī)理
目前，對(duì)于氣田水的結(jié)垢機(jī)理主要由三方面的理論認(rèn)識(shí)：不相容理論、熱力學(xué)條件變化論和吸附論。不相容理論認(rèn)為，如果含有不同的離子種類或濃度的不相容液體發(fā)生混合時(shí)，體系就會(huì)變得不穩(wěn)定，促進(jìn)固體垢顆粒的形成。熱力學(xué)條件變化論認(rèn)為，井下的溶液常含有成垢離子且為過(guò)飽和狀態(tài)，但因?yàn)榫碌臒崃W(xué)條件穩(wěn)定，所以并不會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢物；一旦氣水混合物到達(dá)了地面集輸管道中時(shí)，流體的溫度、壓力、流速等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，破壞先前各離子穩(wěn)定存在熱力學(xué)條件，導(dǎo)致地面集輸系統(tǒng)的結(jié)垢。因此成垢離子更容易沉積下來(lái)。結(jié)合表1中的離子成分分析可知，水樣中含有大量的HCO3-和Ca2+。一旦這兩種離子穩(wěn)定存在的熱力學(xué)平衡條件被打破，使水中離子的濃度超過(guò)了水的溶解度時(shí)，這兩種離子就會(huì)結(jié)合形成Ca(HCO3)2。Ca( HCO3)2在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的化合物，極易分解形成CaCO3，微小的CaCO3顆粒在流動(dòng)中會(huì)相互碰撞，聚結(jié)，形成較大的CaCO3顆粒，并附著在管壁上，形成管道結(jié)垢。管道內(nèi)陰陽(yáng)離子結(jié)合成垢的過(guò)程可表示為：
氣田水的結(jié)垢機(jī)理中的吸附論認(rèn)為，碳酸鈣等結(jié)垢物是晶體結(jié)構(gòu)，其形成過(guò)程可以用晶體理論解釋；管道內(nèi)壁粗糙不平，垢晶體會(huì)吸附在表面突起處，以此中心形成晶核從溶液中析出、長(zhǎng)大，最終形成垢沉積。結(jié)晶的過(guò)程可以概括為以下三個(gè)階段：溶液過(guò)飽和一晶核形
成一晶體生長(zhǎng)。
3 天然氣管道結(jié)垢模型
對(duì)于天然氣管道結(jié)垢，在管道進(jìn)口處，并沒(méi)有固體垢顆粒存在，而是在管道運(yùn)行過(guò)程中，隨著流體的流動(dòng)，逐漸生成了固體垢顆粒，然后采用DPM模型模擬固體垢顆粒在管道內(nèi)的流動(dòng)情況，可以更加形象的分析天然氣管道結(jié)垢過(guò)程，DPM模型與化學(xué)反應(yīng)模型關(guān)系圖見(jiàn)圖3。
3.1 化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)數(shù)值模擬模型
通過(guò)對(duì)某天然氣集輸管道的結(jié)垢機(jī)理分析，根據(jù)公式(2)可以得知，結(jié)垢過(guò)程包含化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，需要啟用FLUENT軟件的化學(xué)反應(yīng)模型。
針對(duì)此天然氣集輸管道結(jié)垢，主要需要研究于壁面反應(yīng)的問(wèn)題以及化學(xué)組分混合、輸運(yùn)、反應(yīng)的問(wèn)題，因此選用有限速率模型。計(jì)算反應(yīng)速度的方法有Arrhenius速度表達(dá)式，Magnussen和Hj ertager的漩渦耗散模型以及EDC模型等。
由于天然氣集輸管道結(jié)垢為湍流流動(dòng)，當(dāng)湍流通過(guò)反應(yīng)物和水緩慢地進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，迅速地在反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，但是動(dòng)力學(xué)因素也在控制著反應(yīng)，因此最終選取了4種湍流一化學(xué)反應(yīng)相互作用模型中的Finite -Rate/Eddy - Dissipation Model（有限速率／渦耗散模型）。
3.2 固體垢顆粒沉積軌跡的數(shù)值模擬模型
天然氣集輸管道結(jié)垢是由于在管道內(nèi)的固體垢顆粒流動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)包括對(duì)流與擴(kuò)散在內(nèi)的傳質(zhì)過(guò)程達(dá)到管道的表面，并且通過(guò)吸附作用停留在管壁上，最終結(jié)晶形成沉淀。但是為了研究固體垢顆粒在管道內(nèi)流動(dòng)的情況，啟用了FLUENT軟件的多相流模型，對(duì)生成的固體垢顆粒在管道內(nèi)的軌跡進(jìn)行模擬分析，研究其沉淀規(guī)律。
FLUENT中的離散相模型(DPM)就是采用歐拉一拉格朗日法的計(jì)算思路，用歐拉法描述主相，而用拉格朗日法描述顆粒相。離散相模型通常用于煤粉燃燒、顆粒分離、噴霧劑形態(tài)、液體燃料的燃燒等問(wèn)題的解決。對(duì)于天然氣管道結(jié)垢來(lái)說(shuō)，生成的固體垢顆粒的體積分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)，因此采用離散相模型(DPM)。
3.3邊界條件
本文模擬需要確定的邊界條件包括：進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件以及壁面條件，同時(shí)應(yīng)分別定義液相和離散相的邊界條件。
1)液相邊界條件
選用速度入口作為邊界條件，即在管道入口處定義氣流的入口速度；同時(shí)，入口處還要對(duì)邊界層和完全發(fā)展的湍流流動(dòng)進(jìn)行描述，選用的是輸入湍流強(qiáng)度和水力直徑；為了保證流場(chǎng)計(jì)算時(shí)的收斂，對(duì)管道出口的邊界條件選用出流邊界；壁面為管壁，因此選取默認(rèn)的固體壁面無(wú)滑移條件。
2)離散相邊界條件
本文在管道入口設(shè)置面射流源，顆粒類型新建為CaCO3顆粒，其密度為2 800 kg/m3，粒徑、速度等其他參數(shù)需根據(jù)不同的模擬情況來(lái)進(jìn)一步設(shè)置，由于要控制單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入流域的顆粒數(shù)一定，故將不同條件下管道內(nèi)顆粒質(zhì)量流量均設(shè)置為1×10-20 kg/s。本文在壁面選用捕捉邊界條件。
4 數(shù)值模擬實(shí)例
4.1 模型參數(shù)
1)管道尺寸和管內(nèi)介質(zhì)
本文重點(diǎn)研究直管內(nèi)的CaCO3顆粒運(yùn)移沉降規(guī)律，選取的管道內(nèi)徑為200 mm，綜合考慮之后選取長(zhǎng)度為5 000 mm的直管段，選取邛西6井的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。
2)具體模擬方案
根據(jù)天然氣集輸管道數(shù)據(jù)具體分析，得出模擬的具體方案如表2所示。
4.2 建立模型及劃分網(wǎng)格
根據(jù)2.1節(jié)的選取，直管段的管徑為200 mm，長(zhǎng)度為5 000 mm。以流向?yàn)閤軸，重力方向?yàn)閥軸負(fù)方向，進(jìn)口中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。人口界面設(shè)置為inlet，出口界面設(shè)置為outlet。將入口面設(shè)置為源面，并采用掃描法對(duì)全流域劃分六面體網(wǎng)格，通過(guò)設(shè)置源面網(wǎng)格尺寸來(lái)控制全流域的網(wǎng)格尺度，同時(shí)，根據(jù)壁面函數(shù)法對(duì)于壁面區(qū)域網(wǎng)格的要求劃分邊界層網(wǎng)格，對(duì)直管段流域的邊界層網(wǎng)格設(shè)置第一層網(wǎng)格高度為8 mm、增長(zhǎng)率為1.2及邊界層層數(shù)為4層，從而控制壁面大部分區(qū)域的y+值處于30~60之間。
網(wǎng)格密度對(duì)數(shù)值計(jì)算精度有較大影響，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算結(jié)果的討論之前，需要對(duì)網(wǎng)格數(shù)量影響進(jìn)行無(wú)關(guān)性分析，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢測(cè)，最終對(duì)全流域劃分共產(chǎn)生了41520個(gè)節(jié)點(diǎn)，38240個(gè)控制體。
4.3 流場(chǎng)分析
通過(guò)FLUENT 16.0軟件模擬，圖4為氣流進(jìn)口速度為1m/s時(shí)，直管y=0截面上的壓力圖，從圖4(a)壓力分布云圖和圖4(b)壓力分布曲線圖可以看出，壓力分布沿著流體流動(dòng)方向均勻遞減，沒(méi)有出現(xiàn)大的壓力梯度。
管道中部橫截面上的速度分布云圖如圖5所示，從速度分布云圖可以看出，當(dāng)流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，管道中心位置的氣流速度最大；由于流體有一定的黏度以及邊界層的影響，在邊界層處流體的速度將有所減小，同時(shí)距離壁面越近，速度減小的趨勢(shì)也越明顯，說(shuō)明氣流的速度脈動(dòng)在近壁面區(qū)域范圍內(nèi)比較劇烈。
流體的連續(xù)性方程表明，管壁附近流體流動(dòng)速度的減小必然會(huì)促使邊界層外的流體處于加速狀態(tài)，而邊界層外流體的加速反過(guò)來(lái)又抑制了邊界層厚度的增加，同時(shí)產(chǎn)生了壓強(qiáng)的順壓梯度。
溫度分布云圖如圖6所示，從溫度分布云圖中可以看出，在y=0截面上沿著流體流動(dòng)的方向，溫度逐漸增加；在管道中間橫截面上，可以看出管道中心溫度要略低于周邊的溫度但是高于管壁的溫度，這是由于管道內(nèi)部湍流流動(dòng)，溫度會(huì)略微升高，但是管道內(nèi)還會(huì)發(fā)生吸
收熱量的化學(xué)反應(yīng)。
管道內(nèi)CaCO3分布如圖7所示，入口處并不含有CaCO3，而是在管道運(yùn)行一段距離后，生成一部分Ca-CO3，在距離管道井口1 m處CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，但是隨著管道中流體的沖刷作用，又會(huì)帶走一部分的CaCO3，只有少部分的CaCO3會(huì)沉淀下來(lái)，并且最終生
成的CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85. 88×10-5。
圖8為管道內(nèi)CaCO3粒子軌跡圖，可以看出在管道進(jìn)口處，CaCO3粒子較少，并且由于重力作用管道上半部分存在更為稀少的CaCO3粒子，隨著流體的流動(dòng)，在靠近管壁處，管道內(nèi)CaCO3粒子較為集中，這是由于管壁的吸附作用，CaCO3粒子聚集，生成晶體，并不斷成長(zhǎng)，最終形成垢，沉淀下來(lái)。
5 影響因素的數(shù)值模擬
5.1 管道壓力的影響
研究集輸管道垢沉積的規(guī)律，將管道內(nèi)的壓力分別改為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 M Pa，再次進(jìn)行模擬，管道內(nèi)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖9所示。
由圖9可以得出，隨著壓力的增加，生成CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，相對(duì)應(yīng)的生成的CaCO3沉淀也會(huì)相應(yīng)減少。
5.2 管道溫度的影響
研究集輸管道垢沉積的規(guī)律，將管道內(nèi)流體的溫度改為290、295、305和310 K，進(jìn)行對(duì)比分析，管道內(nèi)Ca-CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖10所示。
根據(jù)圖10可以得出，隨著溫度的增加，生成CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，相對(duì)應(yīng)的生成的CaCO3沉淀也會(huì)相應(yīng)增加；并且當(dāng)管內(nèi)溫度高于壁溫時(shí)，其結(jié)垢速率較大。
5.3 粒子濃度的影響
研究集輸管道垢沉積的規(guī)律，將管道內(nèi)的粒子的濃度分別擴(kuò)大5、10、15、20倍，管道內(nèi)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖1 1所示。
根據(jù)圖11可以得出，粒子濃度與生成的CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正相關(guān)，并且隨著粒子濃度的增加，每一倍粒子濃度生成CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，相對(duì)應(yīng)的生成的CaCO3沉淀也會(huì)相應(yīng)增加。
5.4 流體流速的影響
研究集輸管道垢沉積的規(guī)律，將管道內(nèi)的流速改為1.2、1.5、1.8和2 m/s，其管道內(nèi)CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖12所示。
根據(jù)圖12可以得出，隨著速度的增加，生成CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，并且速度越大，流體的沖刷作用越明顯，相對(duì)應(yīng)的生成的CaCO3沉淀也會(huì)相應(yīng)減少。
通過(guò)上述對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)：
1)隨著壓力的增加，生成CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，相對(duì)應(yīng)的生成的CaCO3沉淀也會(huì)相應(yīng)減少；這是由于根據(jù)公式(2)該化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)體系內(nèi)壓力下降時(shí)，化學(xué)反應(yīng)平衡向右移動(dòng)，促進(jìn)碳酸鈣的生成。
2)隨著溫度的增加，生成CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，相對(duì)應(yīng)生成的CaCO3沉淀也會(huì)相應(yīng)增加，并且當(dāng)管內(nèi)溫度高于壁溫時(shí)，其結(jié)垢速率較大；這是因?yàn)樵谝蕴妓徕}為主要結(jié)垢產(chǎn)物的情況下，碳酸鈣的溶解度隨著溫度的升高而減小。
3)成垢離子濃度對(duì)結(jié)垢有重要影響，通常情況下，天然氣管道結(jié)垢的可能性和溶液中成垢離子濃度呈正相關(guān)，顆粒濃度與生成的CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正相關(guān)，并且隨著顆粒濃度的增加，每一倍顆粒濃度生成CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，相對(duì)應(yīng)的生成的CaCO3沉淀也會(huì)相應(yīng)增加。
4)隨著速度的增加，生成CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，并且速度越大，流體的沖刷作用越明顯，相對(duì)應(yīng)的生成的CaCO3沉淀也會(huì)相應(yīng)減少。
6 結(jié)論
以結(jié)垢機(jī)理為基礎(chǔ)，應(yīng)用基于有限速率／渦耗散理論的化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)模型，以及基于歐拉一拉格朗日法的顆粒離散相數(shù)學(xué)模型，建立了基于化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)的天然氣集輸管道結(jié)垢速率數(shù)值模擬模型。
1)結(jié)合邛西6井的實(shí)際數(shù)據(jù)，通過(guò)FLUENT軟件的化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)模型模擬CaCO3顆粒在集輸管道中的生成與結(jié)垢過(guò)程，并且定量分析了管道壓力、溫度、垢粒子濃度和流速對(duì)結(jié)垢速率的影響規(guī)律：發(fā)現(xiàn)管道壓力、介質(zhì)流速與結(jié)垢速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，介質(zhì)溫度、粒子濃度與結(jié)垢速率呈正相關(guān)關(guān)系。該影響規(guī)律與其他學(xué)者采用其他方法模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到的規(guī)律相一致，充分驗(yàn)證了該模型的適用性。因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)適當(dāng)增大氣田采出水的壓力和流速，降低介質(zhì)溫度來(lái)達(dá)到抑制結(jié)垢發(fā)生的目的。
2)采用DPM模型模擬了CaCO3顆粒在直管段處的運(yùn)移沉降，發(fā)現(xiàn)由于生成垢的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程需要一定的時(shí)間，在管道入口處CaCO3粒子較少；隨著介質(zhì)的流動(dòng)，CaCO3顆粒逐漸生成，并在重力的作用下，逐漸沉積在管壁處，從而揭示了CaCO3顆粒的生成與沉積規(guī)律。
