人工煤气管道萘颗粒沉积规律研究

李 倩，吴晓南，卢泓方，余思颖，李廉卿，王鑫鑫

(1.西南石油大学 土木工程与建筑学院，四川 成都 610500；2.西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；3.美国路易斯安那理工大学 非开挖技术中心，美国 洛杉矶 71270；4.中国石油天然气第一建设有限公司，河南 洛阳 471023)

0 引言

随着天然气取代人工煤气成为城市燃气的主要来源[1]，在燃气置换过程中，大批管道因管内堵塞严重而面临更新、改造。而此前，多数城市的燃气输配系统一直采用人工煤气作为主要气源。由于气体中的萘含量较多，随着管道运行年限的增加，萘沉积量不断增多，造成管内有效流通面积减小，堵塞管道。因此，研究人工煤气管道中的萘颗粒沉积对于保障置换前后人工煤气输配系统的安全运行，延长管道的使用寿命具有重要意义。

国内外对于固体颗粒在管道内的沉积主要采用实验和数值模拟研究。在实验研究方面，Sehmel[2]，Liu[3]通过实验研究发现固体颗粒在管道的任何面都会发生沉积，而且管道上部颗粒沉积量随颗粒直径增大而增大；Wood[4]和Papavergos[5]等采用实验的方法，将颗粒的沉积区划分为3个区域：扩散区、扩散碰撞区和惯性缓冲区，并分析出不同区域颗粒沉积的主要原因；Pui等[6]对颗粒在弯曲曲率为5.7的90°弯管内沉积情况进行了实验研究，发现颗粒的穿透率主要受到颗粒Stokes数的影响。在数值模拟研究方面，随着计算机技术的迅猛发展，计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)技术已经被广泛运用于管道内颗粒沉积问题的研究。以数值模拟的方式，Tian[7]研究了不同的湍流模型以及壁面条件下管道内的颗粒沉积情况，并与实验数据进行了对比，发现在预测颗粒沉积中采用雷诺应力模型(RSM)要优于采用其他模型；Mcglinchey[8]基于无滑移的颗粒相壁面边界条件，提出了常压下90°弯管的计算模型；陈磊[9]利用Lagrange颗粒轨道模型研究了水平弯管内的硫沉积问题，发现硫颗粒在弯管中的沉积率随流速、粒径和弯曲比的增大而增大；Akilli等[10]在数值模拟和实验的基础上，研究了90°竖弯管向上流动的气固两相流动特性，数值模拟表明，粗颗粒移动到弯管产生的自由流中，二次流将小颗粒围绕管周穿过无颗粒区域；Zhang等[11]提出了1种新的经验模型来模拟弯曲管道中的颗粒沉积效率，该模型考虑了斯托克斯数、弯曲角和曲率比的影响。

针对人工煤气管道萘沉积问题的研究，有学者[12-13]建立了燃气管道萘堵塞的数学模型，用于确定管网中的萘堵塞位置，但没有从流体动力学的角度分析造成管道内萘沉积的原因，对萘颗粒的沉积行为以及不同入口速度、颗粒大小、温度、压力等因素对萘颗粒沉积的影响情况也无法做出很好的解释。考虑到实验研究需从输配管道内取出含萘堵塞物，不仅会影响输配系统的正常运行，而且由于之前堵塞物的堆积而未曾发现的微小漏气现象也会随之出现，影响管道的安全运行。因此，以昆明人工煤气管道为例，采用 Fluent 软件的离散相模型(DPM)和雷诺应力模型(RSM)对萘颗粒沉积问题进行数值模拟研究，预测分析萘颗粒在水平直管、水平弯管以及三通管内的沉积规律，分析不同因素(管径、弯曲比、管径比、颗粒直径、入口速度、温度、压力)对萘颗粒在管道内沉积的影响情况。

1 理论基础

萘颗粒析出后在人工煤气管道内的流动属于气固两相流。目前，常用于气固两相流的数值模拟方法有2种：欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日方法[14]。欧拉-欧拉方法是将气相和固相均视为连续相介质，又称“双流体模型”，通常用于稠密气固两相流；欧拉-拉格朗日方法则是将气相视为连续相，固相视为离散相，通常用于离散相体积分数小于10%～12%的流动。考虑到萘颗粒的体积分数低，故采用Fluent软件中基于欧拉-拉格朗日方法的DPM模型模拟萘颗粒在人工煤气输配管道中的沉积规律。

1.1 连续相控制方程

Fluent软件提供的湍流模型有：标准k-ε模型、Spalart-Allmaras模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型以及雷诺应力模型[14]。结合人工煤气管道中的实际流动情况，选择对管道内颗粒沉积规律描述较好的RSM湍流模型为气体湍流模型。假设管道内的人工煤气为不可压缩流体，忽略体积力的影响，连续相控制方程如下：

1)基本方程

(1)

(2)

2)RSM模型输运方程

(3)

1.2 离散相控制方程

Fluent软件中求解离散相颗粒的运动轨道时采用积分拉式坐标系下的颗粒作用力微分方程。以笛卡尔坐标系下x方向的颗粒作用力平衡方程为例：

(4)

式中：FD(u-up)为颗粒单位质量拽力，FD由下式计算：

(5)

式中：u为气体速度，m/s；up为萘颗粒速度，m/s；ρ为气体密度，kg/m3；ρp为萘颗粒密度，kg/m3；gx为重力加速度在x方向上的分量，m2/s；Fx为作用于萘颗粒上的其他作用力，N/kg；μ为气流的动力粘度，Pa·s；CD为萘颗粒阻力系数；dp为萘颗粒直径，μm；Rep为相对雷诺数(萘颗粒雷诺数)，其定义为

(6)

1.3 颗粒沉积率

颗粒沉积率是指单位时间内沉积在管壁上的颗粒占单位时间进入管段颗粒的百分比，其表达式为：

(7)

式中：Ndep为壁面沉积的颗粒数目；Nin为进入管段的颗粒数目。

2 模型建立及边界条件

2.1 研究实例

研究选取昆明人工煤气管道为研究对象，其煤气组分[15]参数如表1所示。

表1 昆明煤气组分Table 1 The manufactured gas component of Kunming

同时，根据萘的物理性质，结合人工煤气管道具体数据，分别对萘颗粒在水平直管、水平弯管、三通管内的沉积进行数值模拟，分析不同管径、弯曲比、管径比、管径、入口速度、颗粒粒径、温度、压力对萘颗粒沉积的影响情况。具体方案如表2所示。

2.2 几何模型及网格划分

根据表2数值模拟方案，分别对水平直管、水平弯管、三通管进行网格划分。建立管长为L=15D的水平直管几何模型，以z轴正方向为流向，以y轴负方向为重力方向，采用Sweep(扫描法)对全流域划分网格。建立D=200 mm的水平弯管几何模型，其中弯管弯曲比R/D分别取1，2，4，以x轴负方向为流向，以z轴负方向为重力方向，采用Sweep(扫描法)对全流域划分网格，弯曲处局部加密处理。建立D=500 mm的三通管几何模型，其中管径比D1/D分别取0.4，0.6，0.8和1.0，以z轴正方向为流向，以y轴负方向为重力方向，采用Patch Conforming Method对全流域四面体划分网格。对于近壁面，采用Standard wall functions(标准壁面函数)划分边界层网格，保证壁面区域满足条件：(11.5～30

表2 数值模拟方案Table 2 Numerical simulation scheme

图1 几何模型及网格划分Fig.1 Geometric model and mesh division

2.3 边界条件

2.3.1 入口边界条件

入口采用速度入口边界，根据数值模拟方案设置管道入口处的气流入口速度。用经验公式(8)和(9)计算湍流强度和水力直径。

I=0.16(Re)-1/8

(8)

(9)

式中：I为湍流强度；Re为雷诺数；uavg为平均流速，m/s；DH水力直径，m；ρ为气流密度，kg/m3；μ为气流的动力粘度，Pa·s。

对于离散相，在管道入口设置面射源，新建颗粒类型为萘颗粒，其密度为1 162 kg/m3，入射速度与入口处的气流速度一致。管段入口处颗粒设置为escape(逃逸)。设置管道入口萘颗粒浓度[15]为92.14 mg/m3。

2.3.2 出口边界条件

设置管道出口为出流边界条件，出口处颗粒设置为escape(逃逸)。

2.3.3 壁面条件

壁面设置为无滑移壁面。对于离散相，在壁面上采用trap(捕捉)的边界条件，即颗粒碰到壁面就被捕集，不再计算其运动轨迹。

3 数值模拟结果及分析

3.1 水平直管萘颗粒沉积分析

根据表2数值模拟方案，模拟分析不同影响因素下水平直管内萘颗粒的沉积规律。不同影响因素下萘颗粒沉积率变化曲线如图2。

由图2可知：1)随着颗粒直径的增大，萘颗粒在水平直管中的沉积受重力作用的影响较大，重力作用增强，沉积在管道内的萘颗粒数不断增多，沉积率增大；2)随着入口速度的增大，流体的冲刷作用越大，萘颗粒越容易随着气流在直管内继续向前流动，其沉积速度逐渐减小，沉积率逐渐下降；3)随着温度的升高，气体粘度减小，气流对萘颗粒的拖曳力变小，使得萘颗粒更容易在管内沉积，沉积率逐渐升高；4)萘颗粒沉积率随煤气压力的升高而降低，当压力升高时，气流粘度相应增大，使萘颗粒受到的浮力、拖拽力等作用力增大，气体携带颗粒在直管内运动的能力增大，萘颗粒不容易发生沉积，沉积率降低；5)管径越大，相同压力下流体对颗粒的携带能力降低，萘颗粒沉积率大。

3.2 水平弯管萘颗粒沉积分析

根据表2数值模拟方案，模拟分析不同影响因素下水平弯管内萘颗粒的沉积规律。不同影响因素下萘颗粒沉积率变化曲线如图3。

图2 不同影响因素下水平直管中萘颗粒沉积率变化曲线Fig.2 The variation curves of the naphthalene particles deposition rate in the horizontal straight pipe under different influence factors

由图3分析可得：1)随着萘颗粒直径的增大，重力作用力增强，水平弯管内萘颗粒沉积率也不断增大；2)随着入口速度的增大，流体的冲刷作用越大，萘颗粒越容易随着气流在弯管内继续向前流动，其沉积速度逐渐减小，沉积率逐渐下降；3)随着温度的升高，密度减小，粘度增大，密度的降低会使萘颗粒的沉积率增大，而粘度的升高会使得沉积率降低，二者趋势变化不同，最终导致萘颗粒的沉积率随温度的升高而增大；4)萘颗粒沉积率随煤气压力的升高而降低，当压力升高时，气流粘度相应增大，使萘颗粒受到的浮力、拖拽力等作用力增大，气体携带颗粒在弯管内运动的能力增大，萘颗粒不容易发生沉积，沉积率降低；5)萘颗粒沉积率随着弯管弯曲比的增大而升高。

3.3 三通管萘颗粒沉积分析

根据表2数值模拟方案，模拟分析不同影响因素下三通管内萘颗粒的沉积规律。不同影响因素下萘颗粒沉积率变化曲线如图4。

由图4分析可知：1)随着萘颗粒直径的增大，重力作用力增强，三通管内萘颗粒沉积率也不断增大；2)随着入口速度的增大，流体的冲刷作用越大，萘颗粒越容易随着气流在弯管内继续向前流动，其沉积速度逐渐减小，沉积率逐渐下降；3)随着温度的升高，密度减小，粘度增大，密度的降低会使萘颗粒的沉积率增大，而粘度的升高会使得沉积率降低，二者趋势变化不同，最终导致萘颗粒的沉积率随温度的升高而增大；4)萘颗粒沉积率随煤气压力的升高而降低，当压力升高时，气流粘度相应增大，使萘颗粒受到的浮力、拖拽力等作用力增大，气体携带颗粒在弯管内运动的能力增大，萘颗粒不容易发生沉积，沉积率降低；5)随着三通管管径比的增大，萘颗粒沉积率先增大而后减小。

4 结论

1)水平直管、水平弯管、三通管中的萘颗粒沉积率与颗粒粒径、温度成正相关关系，而与气流入口速度、压力成负相关关系。

2)萘颗粒在人工煤气管道中的沉积率主要受颗粒直径、气流入口速度的影响，受温度、压力的影响较小。

3)萘颗粒的沉积率随着水平直管的管径增大而增大，随着水平弯管的弯曲比增大而增大，随着三通管的管径比增大而先增大后减小。

4)可通过适当增大管内煤气输送速度、压力，降低温度来降低萘颗粒在人工煤气管道中的沉积速度，进而减少萘颗粒沉积的发生。