天然气热值调控中掺混效果数值模拟研究

2021-04-12翟楠希董新利

北京石油化工学院学报 2021年1期

邵华，雷岩，翟楠希，董新利

(北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035)

为了保证能源安全和满足国内用户需要，国家正抓紧实施天然气引进工程，包括从我国东北部、西北部引进俄罗斯和中亚气，从西南部引进缅甸气，以及沿海地区引进LNG。由于不同地区的天然气热值存在很大的差异，为了满足天然气燃烧热值标准和控制精确的燃烧，人们通常将多种燃气掺混，从而达到对天然气热值的调控[1]。

我国未来将形成以西气东输、陕-京二线、忠-武线和进口天然气管道、沿海天然气管道为主线的纵横交错、横跨多个目标市场区域的管网系统，资源多元化、供应网络化、调度灵活化的供气格局将逐渐形成[2]。由于天然气资源的多元化，国产天然气、进口天然气、引进LNG的组成及燃烧特性各不相同，当一种燃气置换另一种燃气时，首先要保证燃具所产生的热负荷在燃气置换前后不能发生大的改变[3-4]。因此，对于保证燃烧热值和稳定燃烧，天然气进行掺混后的均匀效果显得尤为重要。

祝博伟[4]采用LPG改质气与LPG进行掺混，然后用于天然气燃具进行试验。结果显示：燃具在使用接近其基准气低华白数的气源(等华白数气)时整体性能最好，用LPG改质气掺混LPG生产替代天然气作为应急气源是可行的。李建鲲[5]以焦炉气做为城市主气源的燃气输配系统在气源不足的情况下，采用发生炉、水煤气炉、反火炉生产低热值煤制气，并利用天然气增热后掺混为补充气源的技术经济进行了探讨。结果表明：三气掺混时，水煤气与天然气比例宜控制在75:25～70:30之间，掺入量应在9×104N·m3/d以下，掺入量低于5×104N·m3/d时，可适当降低天然气掺入量(约占增热水煤气总量的25%)，掺入量大时(6×104～9×104N·m3/d)，天然气掺入量占增热水煤气量的30%。刘俊德[6]为了提高燃烧控制精度，要求对燃料天然气热值进行精确控制。通过向天然气中掺混空气调整天然气热值，采用前馈控制和串级控制调整混合气热值，混合气热值可控制在( 34.6 ±0.1) MJ/m3。郭峰等[7-10]研究不同热值的天然气的互换性，介绍了天然气热值的调整方法，并结合典型工程，采用 HYSYS 模拟软件给出了掺混空气法进行热值调整的工艺流程和计算结果。此外，黄祖培等[11-15]还从配置方式、工艺流程、调节原理和设置气态的天然气或空气混合装置等方面对掺混法工艺流程和控制方案进行了研究分析，阐明了掺混法在LNG热值调整中应用的可行性。

通过调研发现国内外对于天然气掺混研究以掺混热值和掺混比例热为主要研究目标，并对热值调整的应用可行性进行了评价。但在实际应用中，考虑实际现场管路，对于天然气掺混后的均匀性效果和掺混后多远距离掺混气体可以混合均匀的研究较少。因此，对于天然气热值调控过程中掺混效果的数值模拟研究具有一定实际意义。

1 掺混管路模型建立

为研究天然气热值调控过程的掺混效果，对1支管掺混管路和1个汇管掺混管路进行对比研究。支管掺混管路模型和汇管掺混管路模型分别如图1和图2所示。

图2 汇管掺混管路模型

图1 支管掺混管路模型

对于支管掺混管路模型，主管路为直径D1=200 mm的圆管，掺混进口直管直径为D2=60 mm的圆管。主管路进口距离掺混支管中心距离为10D1=2 000 mm，掺混支管长度为10D2=600 mm，掺混支管中心距离主管路出口为40D1=8 000 mm。

对于汇管掺混管路模型，主管路为直径D1=200 mm的圆管，掺混进口直管直径为D2=60 mm的圆管。汇管为直径D3=400 mm的圆管。主管路进口距离掺混支管中心距离为5D1=1 000 mm，掺混支管长度为10D2=600 mm，掺混支管中心距离汇管中心为5D1=1 000 mm。2个支路管径为D1=200 mm，均对称距离汇管中心位置5D3=2 000 mm，汇管两边封头位置分别距离2条支路管线中心2D3=800 mm。

2 管路模型网格划分

单管掺混结构相对简单，全部采用六面体结构化网格划分，并在圆管壁附近进行网格的局部加密，以相对精确地计算边界层的流动。单管掺混模型网格如图3(a)所示，网格总数为472万。汇管掺混管路结构相对复杂，如图3(b)所示，网格划分采用四面体网格划分，并在圆管壁附近进行边界层网格划分，网格进行局部加密，以相对精确地计算边界层的流动。网格总数为541万。

图3 管路网格划分

3 边界条件设置

对于求解设置的边界条件，环境参考温度为25 ℃，进口参考压力为10 kPa。主管路进口采用的速度进口为22.1 m/s(即2 500 m3/h)，掺混支管路进口采用的速度进口为24.56 m/s(即250 m3/h)，支路出口选择自由出流边界条件。计算壁面采用无滑移壁面边界条件，湍流模型选择标准的k-ε湍流模型，结合标准壁面函数进行计算。仿真计算设置气体为不可压缩，计算工质有2种掺混气体：一种是样气；另一种是LNG。2种掺混气体中甲烷、乙烷、丙烷、氮气、氢气及二氧化碳的摩尔分数如表1所示。

表1 掺混气体组分及其分布(摩尔分数/%)

4 模型求解

4.1 支管掺混流场分析

对于支管掺混数值模拟结果，管路沿管长截面速度分布如图4所示。由图4可知，在初始主管路进口速度相对均匀，在支管掺混处，2种不同速度大小和方向的气体发生掺混。掺混后，在掺混拐角处形成一个速度很低的流动区域，所占宽度达到管路1/3管径，并在下游发展达到1/2管径。此流动区域流动较为缓慢，不利于下游流体的相互掺混。

图4 掺混处局部速度分布图

气体掺混后甲烷组分摩尔分数云图如图5所示。

图5 气体掺混后甲烷组分摩尔分数云图

从图5可知，对于主管路进口为样气，甲烷摩尔分数为96.06%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG甲烷组分摩尔分数为93.5%。掺混后，样气从主管路中心至底部流穿，并在下游逐渐与LNG气体发生掺混。而LNG气体则在主管路上部至管路中心流动，被样气“吹偏”至下游，并逐渐与样气发生掺混。在下游掺混后甲烷的摩尔分数为95.83%。

气体掺混后乙烷组分摩尔分数云图如图6所示。

图6 气体掺混后乙烷组分摩尔分数云图

从图6可知，对于主管路进口样气，乙烷摩尔分数为0.54%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG中乙烷组分的摩尔分数为6.36%。掺混后，样气从主管路中心至底部流穿，并在下游逐渐与LNG气体发生掺混。而LNG气体则在主管路上部至管路中心流动，被二号样气“吹偏”至下游，并逐渐与样气发生掺混。在下游掺混后乙烷的摩尔分数达到1.07%。

气体掺混后丙烷组分摩尔分数云图如图7所示。

图7 气体掺混后丙烷组分摩尔分数云图

从图7可知，对于主管路进口样气，丙烷摩尔分数为0.12%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG丙烷组分的摩尔分数为0.06%。掺混后，样气从主管路中心至底部流穿，并在下游逐渐与LNG气体发生掺混。而LNG气体则在主管路上部至管路中心流动，被样气“吹偏”至下游，并逐渐与样气发生掺混。在下游掺混后丙烷的摩尔分数达到0.11%。

氮气组分摩尔分数云图如图8所示。

图8 气体掺混后氮气组分摩尔分数云图

从图8可知，对于主管路进口样气，氮气摩尔分数为1.70%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG氮气组分的摩尔分数为0.08%。掺混后，样气从主管路中心至底部流穿，并在下游逐渐与LNG气体发生掺混。而LNG气体则在主管路上部至管路中心流动，被样气“吹偏”至下游，并逐渐与样气发生掺混。在下游掺混后氮气的摩尔分数达到1.55%。

氢气组分摩尔分数云图如图9所示。

图9 气体掺混后氢气组分摩尔分数云图

从图9可知，对于主管路进口为二号样气，氢气摩尔分数为1.28%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG氢气组分摩尔分数为0.00%。在下游掺混后氢气的摩尔分数达到1.16%。

二氧化碳组分摩尔分数云图如图10所示。

图10 气体掺混后二氧化碳摩尔分数云图

从图10可知，对于主管路进口为二号样气，二氧化碳摩尔分数为0.30%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG二氧化碳组分的摩尔分数为0.00%。在下游掺混后二氧化碳的摩尔分数达到0.27%。

4.2 汇管掺混流场分析

对于汇管掺混数值模拟结果，管路沿管长截面速度和压力分布如图11和图12所示。由图11和图12可知，在初始主管路进口速度相对均匀，在支管掺混处，2种不同速度大小和方向的样气发生掺混。掺混后，速度分布发生较大扰动，并以更大的速度向下游流动。在掺混气体进汇管后，冲击到汇管内侧管壁，并向汇管两侧发散开来，在汇管内发生低速的、相对大尺度的旋涡掺混流动。掺混气体进一步进入支管后，在支管内侧拐角形成低速的流动，并在下游逐渐发展均匀。

图11 全管长截面速度分布图

图12 全管长截面压力分布图

掺混后甲烷组分摩尔分数如图13所示。

图13 掺混后甲烷组分摩尔分数云图

从图13可知，对于主管路进口为样气，甲烷摩尔分数为96.06%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG甲烷组分摩尔分数为93.5%。掺混后的气体进入汇管，发生大尺度的掺混，并在进入支管前达到相对均匀的状态。在进入支管后，气体组分已经掺混的相对均匀。在支管中甲烷的摩尔分数达到95.83%。

图14 掺混后乙烷组分摩尔分数云图

掺混后乙烷组分摩尔分数如图14所示。从图14可知，对于主管路进口为样气，乙烷摩尔分数为0.54%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG乙烷组分摩尔分数为6.36%。掺混后的气体进入汇管，发生大尺度的掺混，并在进入支管前达到相对均匀的状态。在进入支管后，气体组分已经掺混的相对均匀。在支管中乙烷的摩尔分数达到1.06%。

掺混后丙烷组分摩尔分数云图如图15所示。

图15 掺混后丙烷组分尔分数云图

从图15可知，对于主管路进口样气，丙烷摩尔分数为0.12%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG丙烷组分摩尔分数为0.06%。掺混后的气体进入汇管，发生大尺度的掺混，并在进入支管前达到相对均匀的状态。在进入支管后，气体组分已经掺混的相对均匀。在支管中丙烷的摩尔分数达到0.11%。

掺混后氮气组分摩尔分数云图如图16所示。

图16 掺混后氮气组分摩尔分数云图

从图16可知，对于主管路进口样气，氮气摩尔分数为1.70%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG氮气组分摩尔分数为0.08%。掺混后的气体进入汇管发生大尺度掺混，并在进入支管前达到相对均匀的状态。在进入支管后，气体组分已经掺混的相对均匀。在支管中氮气的摩尔分数达到1.55%。

掺混后氢气组分摩尔分数云图如图17所示。

图17 掺混后氢气组分占比云图

从图17可知，对于主管路进口样气，氢气摩尔分数为1.28%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG氢气组分摩尔分数为0.00%。掺混后的气体进入汇管，发生大尺度的掺混，并在进入支管前达到相对均匀的状态。在进入支管后，气体组分已经掺混的相对均匀。在支管中氢气的摩尔分数达到1.17%。

图19 支管与汇管掺混后甲烷组摩尔分数对比

掺混后氢气组分摩尔分数云图如图18所示。

图18 掺混后二氧化碳组分占比云图

由图18可知，对于主管路进口样气，二氧化碳摩尔分数为0.30%，在掺混处与LNG气体发生掺混，LNG二氧化碳组分摩尔分数为0.00%。掺混后的气体进入汇管，发生大尺度的掺混，并在进入支管前达到相对均匀的状态。在进入支管后，气体组分已经掺混的相对均匀。在支管中二氧化碳的摩尔分数达到0.27%。

4.3 支管与汇管掺混效果对比研究

考虑到掺混后流体工质的掺混均匀性，现将沿管路不同距离截面上流体组分的质量平均(MassFlowAve)求出，截面质量平均表达式为：

支管和汇管掺混后，甲烷、乙烷、丙烷、氮气、氢气和二氧化碳摩尔分数沿掺混中心处距离的变化图分别如图19～图24所示。

图20 支管与汇管掺混后乙烷组摩尔分数对比

图21 支管与汇管掺混后丙烷组摩尔分数对比

图22 支管与汇管掺混后氮气组摩尔分数对比

图23 支管与汇管掺混后氢气组摩尔分数对比

图24 支管与汇管掺混后二氧化碳组摩尔分数对比

由图19～图24中可以看出，对于支管掺混，在掺混后距离掺混中心0D～0.5D处掺混剧烈，各个气体组分摩尔分数发生剧烈变化；在0.5D～1.0D会发生一个跳动，这是受到掺混处后方拐角的旋涡流动影响导致；从1.5D直至出口，发生逐渐掺混，掺混较慢，但掺混均匀发展。在15D距离处再往下游，各个气体组分相对变化已经不大，可认为在15D处2种气体掺混达到相对均匀状态。对于汇管掺混，在掺混后距离掺混中心0D～4D处掺混剧烈，各个气体组分占比发生剧烈变化。从4D～6D位置是直径为400 mm的汇管，流体在汇管中已经达到充分的掺混，在进入支管前已经达到各组分的相对均匀。因此，可认为在汇管的出口或支管的入口处2种气体掺混达到相对均匀状态。