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    发布日期:2016-8-14


    球阀处硫颗粒运移沉降规律数值模拟研究*

    摘 要:元素硫在集输管道中沉积会引起堵塞和腐蚀问题,球阀处是集输管道中较易出现大量硫沉积的部位之一。为此,采用数值模拟的方法研究高含硫天然气中析出的硫颗粒在球阀处的运移沉降规律,选用雷诺应力模型模拟球阀处的流场,选用Lagrange颗粒轨道模型追踪硫颗粒在球阀处的运动轨迹,探讨影响硫颗粒在球阀处沉积的因素。

    关键字:进口电动球阀,进口气动球阀


    0 引言

    高含硫天然气在从地层到地面集输系统的过程中,随着压力、温度等条件的变化,溶解在气体中的单质硫可能会以颗粒状物的形式析出,当析出的硫颗粒不能被气流携带走时,就会发生硫颗粒的沉积现象。硫沉积被认为是高含硫天然气集输的三大难题之一,其不仅会堵塞管道、影响设备工作性能,还会腐蚀管道和设备的钢材。目前,国内外学者对硫沉积的热力学过程(溶解与析出)做了大量的研究工作,但是对硫沉积的动力学过程(运移与沉降)研究还较少。现场实际调研发现,集输管线中一些局部构件(如弯管、阀门等)处更易出现大量的硫沉积现象,而运用流体相平衡的热力学理论并不能很好地解释此现象的发生。为此,需要从流体动力学角度进一步研究硫颗粒在管道中运移沉降的规律,明确局部构件中出现大量硫沉积的原因。

    忽略局部构件中少量液体的影响,可以近似认为硫颗粒在局部构件中的运移沉降属于气固两相湍流流动。目前,研究硫颗粒的运移沉降规律可以采用理论、实验或者数值模拟的方法,理论研究对于一些复杂工况条件的分析还存在一定的困难性;实验研究是最为直观的方法,但其经济性低、危险性高;而数值模拟具备操作方便、简单、成本低、预测效果好等优点,是目前广为使用的一种方法。运用CFD技术研究了水平弯管内硫颗粒运移沉降的规律,认为气流速度、颗粒直径和弯曲比等是影响硫颗粒运移沉降的主要因素;运用CFD技术研究了阀门处硫颗粒运移沉降的规律,但仅仅探讨了阀门开度对硫颗粒运移沉降的影响。因此,笔者将在研究的基础上运用FLUENT软件首先对常见阀门(球阀)处的流场进行分析,然后探讨不同因素对硫颗粒在球阀处运移沉降规律的影响。

    1 数值模拟模型

    1.1 气相及颗粒相模型

    研究阀门处硫颗粒运移沉降规律时,首先需要选择合适的湍流模型描述球阀处复杂的流场,FLUENT软件提供的众多湍流模型中,能够较为成功描述的是雷诺应力(RSM)模型。因此,本模拟计算过程中,对气相模拟选用RSM模型,其湍流控制方程这里将不再详述,可见参考。阀门内流动天然气的组分如表1所示。

    表1 天然气的组分

    硫颗粒从高含硫气体中析出之后随气流一起在球阀内运动属于稀疏气固两相流,目前,一般采用颗粒轨道模型来描述颗粒相的运动。因此,应用FLUENT软件进行模拟计算时,对颗粒相可以选用离散相模型(DPM),其控制方程这里也不再详述。

    1.2 物理模型及网格划分

    选取开度为25%、50%和75%的球阀作为研究对象,球阀的通道直径为200mm,为保证球阀内气流湍流运动的稳定性,在球阀进出口处分别附加一定相等长度的直管段,使进口到出口的总长为1200mm。以流向为z轴,重力方向为y轴负方向,进口中心位置为坐标原点。以开度为25%的球阀模型为例,由于球阀流道模型较为复杂,故对全流域划分四面体网格,并对球阀内通道处的网格进行局部加密,划分网格的尺度可以通过设置全流域体网格尺寸及加密处体网格尺寸来加以控制。依据壁面函数法对于壁面区域网格的要求来进行球阀流域边界层网格的划分,边界层网格第一层的高度设置为6mm,增长率设置为1.1,边界层层数设置为4层,从而可以将壁面大部分区域的y+值控制在30~60之间。而根据网格无关性验证的结果,确定了全流域体网格尺寸为10mm,加密处体网格尺寸为5mm,最终对全流域划分共产生了1351375个节点,1794374个面,877699个控制体。采用同样的方法对开度50%和75%的球阀进行网格划分,开度为50%的球阀共产生了172057个节点,1766726个面,864927个控制体,开度为75%的球阀共产生了177150个节点,1804676个面,882227个控制体,划分的网格如图1所示。

    图1 网格划分

    1。3 边界条件

    FLUENT软件模拟计算时需要确定的边界条件包括:进出口边界条件和壁面条件,同时应分别定义气相和离散相的边界条件。

    1。3。1 气相流场边界条件

    进口处选用速度入口作为边界条件,即在管段入口处定义气流的入口速度,根据《高含硫化氢气田地面集输系统设计规范》(SY/T0612—2008),高含硫天然气集输管道管内气体的流速宜控制在3~6m/s。因此,数值模拟时入口的气体流速选取3m/s、4m/s、5m/s和6m/s。同时入口处还要对边界层和完全发展的湍流流动进行描述,本模拟选用的是输入湍流强度和水力直径。运用以下经验公式可以计算湍流强度:

        (1)

        (2)

    式中:uave为平均流速,m/s;DH为水力直径,m。

    为了保证流场计算时的收敛,出口处的边界条件选用出流边界。本模拟中壁面为管壁,因此选取默认的固体壁面无滑移条件。

    1。3。2 离散相边界条件

    在管段入口设置面射流源,颗粒进口速度与气流速度相等,颗粒类型选取硫颗粒,其密度为2046kg/m3,根据D.J.Pack对沉积硫微观状态的研究成果,本模拟主要选取粒径为10μm、20μm、40μm、60μm、80μm和100μm的硫颗粒进行研究。模拟计算时需要控制单位时间内进入球阀流域内硫颗粒的数目一定,同时又需要控制硫颗粒的体积浓度符合DPM模型的要求,硫颗粒的体积浓度可以通过式(3)计算得到。经反复计算确认,可以将所有模拟组次中硫颗粒的质量流量均设置为2×10-4kg/s。硫颗粒到达入口或出口边界后将逃逸,壁面选用捕捉边界条件。

        (3)

    式中:α为硫颗粒体积浓度,%;mp为硫颗粒质量流量,kg/s;dm为管道入口面的直径,m;uin为气流的入口流速,m/s。

    2 模拟结果与分析

    2.1 流场分析

    图2和图3表示球阀开度为50%,气流进口速度为3m/s和5m/s时,球阀y=0截面上的压力和速度分布。从图2(a)和图3(a)中的压力分布可以看出,当流体还未流经球阀时,其在上游直管段处的压力分布较为均匀且压力大小变化不大;当流体流经球阀时,由于球阀入口处的过流通道突然变窄,此处的流体出现了压力损失;当流体流经球阀出口处时,同样由于过流通道的突变而使流体压力发生了较大的损失。比较3m/s和5m/s流速情况下的压力分布图可以发现,压力损失随着气流进口速度的增大表现为减小的趋势。根据速度分布图可看出,当流体还未流经球阀时,其在上游直管段处的速度分布较为均匀且速度大小变化不大;当流体流经球阀时,由于球阀入口处的过流通道突然变窄,此处的流体速度变化较大且出现流动分离的现象,球阀通道内右侧的速度明显大于左侧;当流体流经球阀出口处时,同样由于过流通道的突变而使流体速度发生较大的变化,并且流体在球阀出口处附近向一侧旋转聚集,并在另一侧形成低速区。

    图2 速度为3m/s时,球阀y=0截面上的压力与速度分布

    图3 速度为5m/s时,球阀y=0截面上的压力与速度分布

    图4和图5表示气流进口速度为4m/s,球阀开度为25%和75%时,球阀y=0截面上的压力和速度分布。从图中可看出,球阀前后的压力损失、球阀出口处的流速都随着球阀开度的增大表现为减小的趋势。对于25%开度的球阀而言,由于较大压差的存在,球阀的出口段形成一个较大的强烈漩涡回流,当开度增大到75%时,流道内部的涡流已明显减小(基本消失)。

    图4 球阀开度为25%时,球阀y=0截面上的压力与速度分布

    图5 球阀开度为75%时,球阀y=0截面上的压力与速度分布

    2.2 硫颗粒运移沉降规律

    分析硫颗粒在球阀内的运动情况对于研究球阀处硫颗粒运移沉降的规律至关重要,而研究硫颗粒的运动情况则需对比不同工况下硫颗粒在球阀内的质量浓度分布,这里主要对比球阀不同开度的情况下硫颗粒在球阀内的质量浓度分布。图6为气流进口速度为5m/s,硫颗粒粒径为10μm,球阀开度为25%、50%和75%时,球阀y=0截面上硫颗粒的质量浓度分布情况,明显可以发现随着球阀开度的增大,通过球阀处的硫颗粒也越多。沉积率是考察硫颗粒在球阀处运动情况的重要参数之一,它的定义如式(4)所示:

        (4)

    式中:Ndep为管壁沉积的颗粒数目;Nout为穿越管段的颗粒数目。

    图6 球阀不同开度情况下,y=0截面上硫颗粒质量浓度的分布

    2。2。1 气流速度对沉积的影响

    图7表示粒径为20μm的硫颗粒通过25%、50%和75%开度的球阀时,不同气流速度对其在球阀处沉积情况的影响。从图中可看出,阀门开度一定时,硫颗粒在球阀处的沉积率随着气流进口速度的增大而增大,这是因为随着气流进口速度的增大,气流的湍流强度不断增大,气流中硫颗粒的运动也就更加剧烈,与阀芯以及管壁碰撞的机率不断增加。同时,速度越大的硫颗粒更容易穿越阀门壁面的湍流层而发生沉积现象。从图中还可以看出,虽然随着气流速度的增大,硫颗粒在阀门处的沉积率呈现逐渐增大的趋势,但是这种变大的趋势相对较小。

    图7 气流速度对沉积率的影响

    2.2.2 颗粒直径对沉积的影响

    图8表示硫颗粒随5m/s的气流通过50%开度的球阀时,不同颗粒直径对其在球阀处沉积情况的影响。从图中可看出,硫颗粒在球阀处的沉积率随着粒径的增大而增大,并且当硫颗粒的粒径为80μm时,硫颗粒的沉积率达到100%,由此可见颗粒直径对沉积率的影响较大。这主要有两点重要原因:首先,硫颗粒在球阀处的沉积主要受重力作用的影响,随着粒径的增大,硫颗粒受重力作用增强,其悬浮于气流中所需的力也更大,也更难随气流一起在球阀内运动,从而引起硫颗粒沉积率的增大;同时,随着粒径的增大,硫颗粒的自身惯性也增大,当硫颗粒流经球阀处时需穿越两次过流面积突变的地方,粒径较大的硫颗粒在惯性力的作用下更易保持其自身的运动方向,从而与阀芯以及管壁发生碰撞,并穿越壁面附近的湍流边界层而在壁面上沉积。

    图8 颗粒直径对沉积率的影响

    2.2.3 球阀开度对沉积的影响

    图9表示粒径为20μm的硫颗粒随4m/s的气流通过球阀时,不同球阀开度对其在球阀处沉积情况的影响。从图中可看出,硫颗粒在球阀处的沉积率随着阀门开度的增大而减小。球阀开度的增大意味着气流过流面积的增大,硫颗粒与阀芯以及管壁碰撞的机率减小,更多的硫颗粒会被气流携带到球阀下游,硫颗粒的沉积率也就会大大降低。同时球阀开度的改变也会造成球阀处压力温度的变化,随着开度的减小,压力、温度会出现不同程度的降低,此时气体中也会析出更多的硫颗粒,进而与阀芯以及管壁发生碰撞而沉积,这也是球阀处易出现大量硫沉积的另外一个重要原因。此外,由于球阀开度的影响,硫颗粒在球阀内的运动不再是直管段中的直线运动,而是变为弯管中的曲线运动,其在离心力的作用下也更易发生沉积。

    图9 球阀开度对沉积率的影响

    3 结论

    采用数值模拟的方法研究了硫颗粒在球阀处运移沉降的规律,对于气相和颗粒相的模拟分别选取了RSM和DPM模型,首先讨论了不同气流速度和球阀开度对球阀内流场的影响,然后论述了不同气流速度、颗粒直径和球阀开度对沉积率的影响,得到以下结论:

    1)气流通过球阀之后将会出现压力损失和流动分离(速度梯度),并且压力损失随着气流进口速度、球阀开度的增大表现为减小的趋势,流动分离现象在较低流速和较大球阀开度情况下更明显。

    2)在颗粒粒径和球阀开度一定时,硫颗粒在球阀处的沉积率随气流速度的增大而增大;在气流速度和球阀开度一定时,硫颗粒在球阀处的沉积率随颗粒直径的增大而增大;在气流速度和颗粒直径一定时,硫颗粒在球阀处的沉积率随球阀开度的增大而减小。

    3)重力和离心力是造成硫颗粒在球阀处出现大量沉积的重要原因。

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