天然气物性数据库的开发及其在阀门仿真中的应用

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(华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海 200237)

天然气物性数据库的开发及其在阀门仿真中的应用

汤俊,于新海,李松,周邵萍

(华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237)

利用目前在天然气应用领域中较为全面和精确的GERG—2004方程建立天然气数据库,使用FORTRAN程序,VBA宏语言和MATLAB编写了插值算法,在CFX仿真计算中调用了数据库中物性数据。以天然气迷宫式调节阀三维模型为研究对象,基于k-Epsilon流动模型,调用天然气物性数据库,实现了以天然气为介质的迷宫式调节阀仿真,为以天然气为介质的过流部件仿真提供了解决思路。

数据库; 迷宫式调节阀; 物性模型

迷宫式调节阀广泛应用于天然气领域以及大型电站的锅炉等非常恶劣的工况下,是流量控制和压力控制的主要元件之一[1-2]。数值模拟是研究迷宫式调节阀内流场设计、外特性分析和结构评估优化的主要工具。但天然气组成的气体种类繁多,且其物理性质随着组分、温度、压强的变化而变化[3],不仅给实验物性参数研究带来困难,也给利用天然气物性进行仿真计算带来巨大的挑战。国内外流体商业软件尚未建立全面、高精度、高稳定性的天然气数据库,并且未提出针对多种类型天然气的多相流数值仿真方法。

基于此,本文利用GERG—2004方程[4],结合VBA宏语言和MATLAB建立天然气数据库,并以天然气迷宫式调节阀三维模型为研究对象,基于k-Epsilon流动模型,调用天然气物性数据库,探究物性对于阀门性能的影响。

1 数据库建立方法

1.1基于GERG—2004方程的数据库建立

首先,利用GERG—2004方程建立气相区和两相区天然气数据库。然后用FORTRAN程序编写插值算法,数据库的生成与插值程序流程如图1所示。最后,在CFX仿真计算中调用数据库中物性数据,完成以天然气为介质的阀门内流体仿真计算。为减少内存消耗,提高程序运算的速度,同时为避免预设范围之外的点的插值,增强程序的鲁棒性和精确度,本数据库采用了动态表形式。

1.2基于MATLAB程序获得和采集数据

GERG—2004方程可计算包含甲烷、乙烷、二氧化碳、氮气等18种天然气组分混合的物性参数,计算区域覆盖了气相区与液相区。

表1～表2为采用Excel程序和DOS程序对一定组分、温度、压力和体积下物性的计算结果,分别采集单相区和两相区数据。

图1 数据库生成与插值程序流程图Fig.1 Program flow chart of database generation and interpolation

表1 GERG—2004方程Excel程序计算结果

表2 GERG—2004方程DOS程序计算结果

为高效获取GERG—2004方程中的数据,运用VBA宏语言和MATLAB等工具实现数据的输入、可视化处理和提取分析。在完成组分、压力、温度等数据输入后,DOS程序将生成各组分、温度和压力工况下的物性数据,数据采集流程如图2所示。文本采用正则表达式,提取密度和气液相体积分数等参数,数据以单个字符串来描述和匹配文本中字符串。最后,使用MATLAB整理归纳提取的物性数据,完成数据采集。

1.3基于线性插值法的数据处理

对采集的数据进行插值处理,所选用的二维插值方法为双线性插值[5]。二维插值方法的实现过程如图3所示。P1、P2、P3、P4是所需求解点P(x,y)四周的插值节点。

图2 数据采集流程图Fig.2 Flow chart of data acquisition

图3 双线性插值Fig.3 Flow chart of data acquisition

双线性插值的基本函数形式如下:

f(x,y)=(ax+b)(cy+d)

(1)

式(1)中含有4个待定系数。通过4个插值节点的数据值,可求解出这4个待定系数。

首先,在x方向上进行线性插值,得

(2)

(3)

然后,在y方向上进行线性插值,得

(4)

整理得

f(x,y)=f(P3)(1-x)(1-y)+

f(P1)(1-x)y+f(P4)x(1-y)

(5)

线性插值的结果并不会因为插值顺序的不同而改变。本文三维插值算法也采用线性插值,与二维采用的双线性插值方法相同,原理如图4所示[6]。

图4 三维线性插值Fig.4 Interpolation in 3-dimension

1.4CFX调用FORTRAN程序

将自定义的物理模型和物性特征写入FORTRAN程序中,求解器求解时将调用这些插值处理后的数据。CFX通过CEL函数调用自定义FORTRAN程序,流程如图5所示。

编译平台搭建成功后,在命令行程序执行cfx5mkext语句,将编写的F格式FORTRAN文件编译成DLL动态共享库。求解器进行求解时,将通过在预处理器中预先定义的CEL语句和CEL函数对象对共享库进行调用和计算。

图5 CFX调用FORTRAN程序流程Fig.5 Calling of user FORTRAN program by CFX

2 数据库生成与实验验证

2.1组分、压力、温度范围确定

在获得初始数据后,需对天然气数据库组分、压力、温度的范围进行确定和节点数据进行定义。本文数值模拟所选用天然气组分数据来源于四川盆地新场气田,其天然气组成如表3所示。

表3 四川新场气田某层系天然气组分及其摩尔分数

本文选取迷宫式气动调节阀为研究对象,结构如图6所示。实现天然气数据库的调用,可完成以不同压差工况下天然气为介质的阀内流场仿真,有利于进一步研究迷宫盘片内部流动在不同工况下的变化规律,对天然气阀门设计性能进行评估。其设计入口绝对压力为34.9 MPa,设计出口绝对压力为0.4 MPa,数据库的压力范围需要包含最大、最小压力,压力边界设定为0.01 MPa≤P≤36.01 MPa。天然气的入口温度为70 ℃。选取纯CH4为介质进行模拟,CH4的物性数据来自于CFX中的材料库。通过试算调节阀内温度场,预估数据库温度范围。针对调节阀的高压差、高流速的工况,选用Total Energy热传递模型和k-Epsilon湍流模型。由于高压差的边界条件不稳健,对初始条件较为敏感,在模拟中先将预先估计的入口流量和出口静压作为边界条件进行求解,待收敛后,再将该结果作为初值代入两端压差的边界条件的算例中模拟。由于盘片阀结构比较复杂,采用ICEM软件对其流道模型进行整体非结构网格划分,对盘片、阀芯等关键位置的流体域进行网格加密如图7所示,网格总计3.58×106。同时,在对网格进行无关性验证的基础上,分析阀门内的流场情况。

1—阀杆;2—阀盖;3—阀瓣;4—迷宫盘片阀芯;5—阀体;6—阀座

图7 盘片处网格Fig.7 Mesh of the valve discs

图8为调节阀中心对称温度场云图。从图中可以看出,由于阀门的节流效应,天然气在流经阀门的过程中温度有所降低,由入口管段的345.7 K降至出口管段的200 K左右。数据库温度需包含最大值和最小值,因此将其温度范围确定为180 K≤T≤350 K。

图8 中心对称面温度云图Fig.8 Temperature contour of symmetric plane

2.2节点数确定

数据库中包含的数据节点数越多,所得到插值的结果会越接近实际值。但数据节点过多将导致数据库变得很大,模拟时也占用大量的RAM容量,使得程序运行变慢。

为得到较为合适的节点数,首先生成不同体积分数的CH4和CO2的二元混合物的数据库,对其进行插值,并将插值结果与已有的实验数据进行对比。以CH4和CO2二元混合物的插值结果作为参考,拟定合适的节点数。初步将网格步长设为10 K和1 MPa。以体积分数为0.9的CH4和体积分数为0.1的CO2的二元混合物为例。插值结果与文献的实验结果[7-9]对比如表4所示。

表4 气相区插值结果与实验结果对比

气相区内实验值与插值计算值的最大误差为0.097 78%,可满足模拟的精确度需求。因此,数据库的温度步长和压力步长满足条件。温度方向网格节点为18个,压力方向网格节点为37个,数据库总节点数为666个。将这些网格节点的密度数据和线性插值算法编入FORTRAN程序,并在命令行程序中使用cfx5mkext语句将该FORTRAN程序编译成DLL共享库。

3 基于数据库的阀门仿真

将所建立的气相区数据库应用于天然气迷宫式调节阀的数值模拟进行计算。介质的物性数据来源于数据库,选取体积分数为0.25的CH4和体积分数为0.75的CO2为仿真介质。入口总压设置为34.9 MPa,出口静压设置为0.4 MPa。选用了总能模型获取调节阀内的温度场等信息,介质的入口温度为343.15 K。模拟结果如图9所示。

图9示出了压力、温度和密度在阀门内部随介质流动的变化,3个监测值都在盘片流道中发生剧烈的变化。模拟计算得到入口平均密度为579.9 kg/m3,而由GERG—2004方程计算得到的密度为16.193 28 mol/L,换算得599.1 kg/m3,入口密度误差约为3.205%。在不同的温度和压力工况下,对比多个监测点的仿真结果与GERG—2004方程计算结果,如表5所示,发现密度误差最大值为3.432%,插值计算误差较小,仿真精确度满足要求。同时,数据库在计算高压差的工况调用计算过程中,表现出良好的适应性、鲁棒性和精确性。

图9 对称面的压力、温度及密度云图Fig.9 Symmetric plane pressure contour,temperature contour and density contour

表5 计算结果对比

4 结 论

以天然气迷宫式调节阀为研究对象,建立天然气物性数据库,使用CFX中的流动模型,实现了高压差仿真计算并得出以下结论:

(1) 数据库密度实验值与插值计算值的最大误差为0.098%,仿真结果与GERG—2004方程密度计算结果最大误差为3.432%。因此,该方法得出的天然数据库满足计算的精确度和稳定性要求。

(2) 创新性地调用GERG—2004方程和FORTRAN插值程序,实现了以天然气为介质的迷宫式调节阀仿真,为以天然气为介质的过流部件仿真提供了解决思路。

[1] 郑建农,孙叶柱.进口电站阀门选型分析[J].热力发电,2007,36(2):83-84.

[2] 贾青,陶正良.从对我国电站调节阀的调研看其现状及发展前景[J].华电技术,2005,27(1):8-10.

[3] 胡见义,郑俊章.天然气形成与分布的自身属性[C]//中国石油地质年会.北京:石油工业出版社,2005:45-52.

[4] KUNZ O,WAGNER W.The GERG—2008 wide-range equation of state for natural gases and other mixtures:An expansion of GERG—2004[J].Journal of Chemical & Engineering Data,2012,57(11):3032-3091.

[5] 龚昌来,罗聪,杨冬涛.一种基于边缘方向的双线性插值方法[J].激光与红外,2010,40(7):788-791.

[6] 杨代伦.基于质心的二维和三维插值算法[J].计算机工程与应用,2004,40(12):77-78.

[7] LI H,JAKOBSEN J P,WILHELMSEN Ø,etal.PVTxyproperties of CO2mixtures relevant for CO2capture,transport and storage:Review of available experimental data and theoretical models[J].Applied Energy,2011,88(11):3567-3579.

[8] KESTIN J,YATA J.Viscosity and diffusion coefficient of six binary mixtures[J].Journal of Chemical Physics,1968,49(11):4780-4791.

[9] KESTIN J,RO S T,WAKEHAM W A.The transport properties of binary mixtures of hydrogen with CO,CO2,and CH4[J].Physica A Statistical Mechanics & Its Applications,1983,119(3):615-638.

DevelopmentandApplicationsinValveSimulationofNaturalGasPhysicalPropertyDatabase

TANGJun,YUXin-hai,LISong,ZHOUShao-ping

(KeyLaboratoryofPressurizedSystemandSafety,MinistryofEducation,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

Natural gas database is established by GERG—2004equation which is very comprehensive and accurate in the field of natural gas application at present.Interpolation algorithm is defined by user FORTRAN program,VBA macro language and MATLAB.Physical property data in database is called in the numerical simulation of CFX.This paper takes the natural gas labyrinth type valve as an example,calling physical property data in the numerical simulation based onk-Epsilon flow model,completing the simulation of labyrinth control valve using natural gas as medium,which provides a solution for the simulation of over-current components with natural gas as medium.

database; labyrinth control valve; physical property model

TH3

A

1006-3080(2017)05-0712-05

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.05.017

2016-11-22

汤 俊(1992-),男,江苏淮安人,硕士生,主要从事泵阀的数值模拟与结构优化。

周邵萍,E-mail:shpzhou@ecust.edu.cn