天然气高效净化装置的数值模拟研究

卢国敏

（上海天然气管网有限公司，上海 201204）

高压天然气长输管道对安全可靠性要求较高、且输送气量较大。天然气在输配过程中由于气源管道敷设以及主辅设备的磨损、腐蚀，结冰等诸多因素，输送系统中会存在的液体和固体杂质，这既影响天然气质量，又会影响天然气管道的输送的安全、稳定、高效运行。固、液杂质的存在会造成精密调压设备、计量设备以及压缩转子等堵塞，这种情况极大影响生产安全，给企业社会造成很大的经济损失。目前，天然气门站传统净化大多使用滤筒式过滤器，这种装置的耐受性较低，更换频率高，无法应对杂质复杂多变、处理量大的情况，一旦发生堵塞或者损坏将会对后续生产造成极大危害[1-3]。

单纯的过滤已经无法满足天然气净化的需求，多种净化技术的组合应用、取长补短已经成为目前的研究趋势。上海化工研究院有限公司开发的天然气组合式净化技术及装置，将有限空间重力沉降技术、高效旋风分离技术、中空纤维立体深层过滤技术有效的组合在一起，产生了良好的净化效果。因此本文以此种设备为研究对象，针对不同净化技术组合后形成的系统，考察每个净化单元中气流和粉尘颗粒状况，分析组合技术及设备的优劣。

1 结构模型

本文以上海市天然气管网公司北蔡门站中正在应用的天然气组合式高效净化装置为研究对象，对其工作原理及内部流场做了研究与分析[4-7]。设备主体高2750mm，内径1200mm。内部集成有限空间重力沉降室、E-Ⅱ型高效旋风分离器和中空纤维立体深层过滤系统。结构如图1所示。

图1 天然气高效净化装置Fig.1 Efficient purification plant for natural gas

2 模拟方法

2.1 计算模型

天然气高效净化装置中重力沉降和深层过滤阶段属于层流状态，其余部分都属于湍流状态，而且旋风分离部分流体则伴有强烈旋流，考虑整体模拟效果，本文采用RNG k-ε模型，选择Swirl Dominated Flow进行旋流修正来提高计算精度[4-7]。

连续方程：

动量方程：

湍流脉动方程（k方程）：

湍动能耗散率方程：

2.2 结构网格

为了研究天然气净化设备的整个净化过程，按照工业应用实物结构对设备做出相应简化并进行网格划分，由于结构复杂，本文采用分块非结构化网格进行划分，首先根据计算特点将设备分为三个体结构，沉降区、旋风分离区、深层过滤区。每个子块中，根据流场特性调整疏密布置，再用连接技术将各子块网格连接在一起形成计算区域的整体三维网格。网格数723391，节点数121650。

图2 几何和网格结构Fig.2 Geometry and mesh structures

2.3 求解算法

在结构网格计算存在旋流问题时，对流项的选择采用QUICK格式，提供更高的计算精度，压差值格式选择PRESTO格式，使用离散连续平衡来计算交错压力的表面处的交错体积，密度差值格式选择QUICK格式。算法采用基于压力求解器，压力-速度耦合算法中PISO以获得更准确的计算结果。

3 计算结果及分析

3.1 天然气净化过程中压力分布

图3 压力分布云图Fig.3 Contours of pressure

净化装置在使用过程中直接安装在门站内天然气管线中间。图3为装置运行过程中的压力分布，设备各部分的阻力情况可以通过压力分布作出分析和判断，某部分压降大说明该部分气流受到阻力较大。在整个净化过程中，产生的总压降较小，约2500Pa。净化前期阻力压降主要由旋风分离器产生，沉降室内基本不产生压降，而深层过滤部分压降增幅较为均匀。随着使用时间的的增加，旋风分离器和沉降室的压降不会增加，深层过滤部分则会因累积粉尘压降逐渐增大，这部分也是后期维护保养的主要对象。

3.2 天然气净化过程中速度分布

天然气在净化装置中的流动状态如图4、5。

图4 速度分布云图Fig.4 Contours of velocity

图5 不同时刻流线分布图Fig.5 Pathlines of different time

天然气首先进入重力沉降室，流速较小，这样有利于较大颗粒的沉降。进入旋风分离设备时流速加快，由图4可以看出，在旋风进口处，流速可达20m/s，且内部旋流速度最大达30m/s，这使得旋风分离器处于最佳的分离除尘状态。随后气流经过管路导流，气体进入深层过滤单元，此时流速较小约1～2m/s，且在整个过滤层内，气流稳定且分布均匀。天然气净化装置各单元间合理的组合，保证了各自处理能力，使得整个设备高效运转。

图6 湍动能分布图Fig.6 Contours of turbulent kinetic energy

图6显示，净化装置沉降单元中，大部分湍动能较低。气流撞击旋风分离壳体后不稳定，增大了该部分空间内流体的湍动程度，这不利与颗粒沉降，需要后期优化以提高除尘效率。流速最高的是旋风分离单元，此部分的流动属于湍流，也是湍动能最大的区域。图6右图将湍动能监测范围扩大，可以看出旋风分离器内部强旋流产生的湍动能最大，可达30m2/s2。深层过滤单元气流流速较慢且极为稳定，气流在中空纤维内部空隙间缓慢流动，有利于细小颗粒的捕集。

3.3 天然气净化过程中颗粒物的运动过程[8-10]

天然气在输送过程中内部夹杂着不同形状、不同粒径的固、液状态下的颗粒物。在研究过程中，统一将其视为固体球型颗粒物，粉尘的粒径分布所采用的众多模型与方法中，最有权威性的为Rosin-Rammler分布函数[11-15]，其公式为：

N决定粒度的分布范围，N越大粒度分布范围越窄，说明样品中粒径分布均匀性越好。d为F(d)=0.5处所对相应的中粒径，是表征粒度分布范围的参数。在模拟计算中我们采用Rosin-Rammler粒径分布模型，N值为3.5，d值为10-5m，粒径范围为10-4～10-8m，由Rosin-Rammler粒径分布模型的特点可知，较大颗粒质量分数较高，细微颗粒质量分数较低。这基本符合天然气管道中粉尘颗粒的一般规律。

图7 颗粒轨迹Fig.7 Particle traces

图8 不同粒径颗粒轨迹Fig.8 Traces of particles with different diameter

图7为粒径范围为0.01～100μm的粉尘颗粒同时通过天然气净化装置时的情况，颗粒轨迹颜色从暖色调到冷色调表示颗粒粒径逐渐减小，红色颗粒粒径最大，蓝色颗粒粒径最小；图8中则将颗粒分为5个不同的单一粒径进行模拟，颗粒轨迹颜色则表示停留时间的不同。从图中可以看出，颗粒流在进入净化装置后，粒径范围在10～100μm之间的颗粒，大部分被沉降-旋风分离单元所捕集，其中在较大粒径颗粒在沉降室中被分离，中等颗粒则被旋风分离器分离，也有少量小于10μm的颗粒在此过程中被分离。颗粒流出旋风分离器后扰动较大，通过导流通道进入深层过滤单元上部空间短暂稳定后进入过滤层，粒径范围在1～10μm之间的颗粒大量被分离，少量小于1μm的颗粒被分离。最终，部分纳米级别的颗粒离开深层过滤单元逃逸出净化装置。对单一粒径颗粒流的模拟结果显示，粒径为100μm和 10μm的颗粒分离效率为 100%，1μm颗粒的分离效率为95%，小于1μm的颗粒分离效率也高达80%。

4 结论

（1）通过对天然气高效净化装置的CFD模拟计算，研究分析了装置净化过程中内部的运行状况。得出了气流以及粉尘颗粒运动特性，速度分布、压力分布、湍动能分布和颗粒的运动轨迹。

（2）设备运行前期产生阻力的主要部分为旋风分离器，后期随着过滤层颗粒粉尘的累积，阻力逐渐增大。气流在沉降单元和深过滤单元较为稳定且流速较小，这保证了颗粒物的稳定性，有利于颗粒的沉降、过滤分离。气流在进入旋风分离器后，气速得到提升产生强旋流，使得旋风分离器处于高效的分离状态。净化装置将三者有效组合，保证了气流分布的合理性，大大提高了分离效率。沉降和旋风分离单元将较大颗粒去除，深层过滤单元通过调整滤料组合保证气体达到使用要求。

（3）设备也存在一些需要优化改进的地方。气流在沉降单元进口处及旋风分离器壳体外围稳定性较差，这样有不利于颗粒沉降。气流在旋风分离器内外流速都较大，而且颗粒运动过程对其壳体内、外壁产生撞击、摩擦，这会对旋风分离器产生磨损。另外，多种净化技术的组合在面对多变的工作条件时，需要调整结构才能保证每个单元都处于最佳的工作状态。

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