城市燃气管道内已沉积萘颗粒的运移规律

吴晓南 李 倩 苟珈源 胡镁林 李 钊 廖 红

1.西南石油大学土木工程与建筑学院 2.云南中石油昆仑燃气有限公司3.中国石油西南油气田公司蜀南气矿销售公司

0 引言

由于过去长期使用含有较多萘杂质的人工煤气，导致燃气管道中沉积了大量的萘，成为燃气管网正常运行的一大隐患。近年来，天然气已逐步取代人工煤气，成为当前城市燃气的主要来源[1]。而在天然气置换人工煤气的过程中，原来沉积在管道内壁的萘会被置换后的天然气吹起，并随着天然气的流动在管道内运移，有可能导致气源置换后的管道堵塞或设备损害。因此，研究气源置换后燃气输配管道中已沉积萘的运移规律，对于保障城市燃气输配系统的安全运行具有重要的意义。

研究固体颗粒在管道内运移沉积问题的方法主要包括实验研究、经验方程和数值模拟。Papavergos等[2-3]通过实验将固体颗粒的运移沉积划分为3个区域，分别是运移区、运移碰撞区和惯性缓冲区，并指出了不同区域颗粒运移沉积的主要原因。El-Shobokshy等[4]进一步研究发现，如果忽略运移区内布朗运动的作用，则该区域内颗粒的沉积量与粒径呈负相关。对于气固两相运动中固体颗粒的沉积运移预测一般采用经验方程。Sehmel[5]在前人所做的实验基础上，拟合得到了颗粒沉积预测的经验方程，进而发现运移区内颗粒在顶面的沉积速率与颗粒粒径呈负相关关系，而运移碰撞区内颗粒在顶面的沉积速率则与颗粒粒径呈正相关关系。

气固两相流理论、计算流体力学以及湍流等理论的发展，为颗粒运移规律的数值模拟研究提供了很大的帮助。在基于欧拉—欧拉方法的气固两相数值模拟中，Druzhinin和Elghobashi[6]以及Fevrier等[7]将颗粒看作是连续体，研究了颗粒在湍流中的运动。部分学者[8-11]也对欧拉—欧拉模型的实际应用进行了改善，Kartushinshy等[11]提出增加升力作用和改进曳力模型等方法可以提高欧拉—欧拉模型在颗粒负载管流数值计算的准确度。在基于欧拉—拉格朗日模型的数值模拟研究中，胡大山[12]针对通风除尘管道，利用RSM湍流模型和DPM模型模拟得到了粉尘颗粒在其中的运动轨迹。此外，周军等[13]针对微细颗粒在煤层气集输管网内的运动情况，对直管段和水平弯管进行数值模拟，得到了颗粒在管道内的运动轨迹，以及管道不同运行工况下的系统阻力和颗粒沉积分布规律。唐登济[14]基于欧拉—拉格朗日模型对微观硫颗粒在多孔介质内的运移规律进行了研究，得到了硫颗粒在不同的气流流速、硫颗粒粒径、孔喉条件下的运移规律。

为了保障城市燃气输配系统的安全，笔者以置换后的昆明燃气输配管道为例，基于Fluent软件，采用DPM离散相模型和RSM雷诺应力模型模拟研究已沉积萘颗粒在管道内的运移规律，针对燃气输配管道常见的水平直管、水平弯管、三通管3种管型，分析不同因素（入口速度、温度、压力、已沉积萘粒径大小）对已沉积萘颗粒在置换后天然气管道内运移的影响。

1 理论基础

1.1 气固两相流数值模拟方法

已沉积萘在燃气管道内随天然气的流动可以看作管道气固两相流。结合天然气管道的实际情况，采用能够较好描述固体颗粒在管道内沉积运移规律的RSM湍流模型为气体湍流模型[15-16]。此外，广泛应用于气固两相流动研究的数值模拟方法主要包括欧拉—欧拉方法和欧拉—拉格朗日方法[15]。前者是将气固两相都看作连续相介质来处理，通常用于固相体积分数占比较大的气固两相流动研究；后者则是将固相作为离散相，通常用于固相体积分数较小（小于10%）的稀疏气固两相流问题的研究。通常进入燃气管网的萘含量不超过350 mg/m3，也就是一般不超过气相的0.008%，故采用基于欧拉—拉格朗日方法的DPM模型来模拟已沉积萘颗粒在燃气输配管道中的运移规律。

1.2 萘颗粒受力分析

对于沉积在管道内的固体颗粒，通常以多层颗粒堆积的形式存在，在受到天然气的冲刷作用时，颗粒受力分析主要考虑重力（Fg）、浮力（Fb）、拖曳力（FD）、升力（FL）以及颗粒与颗粒之间的范德华力（Fvw）。受力情况如图1所示。

图1 萘颗粒在管道内运移的受力分析图

1.3 颗粒运移率

颗粒运移率（ ）指单位时间内天然气携带流出管道的颗粒量占流入管道颗粒量的百分比，其表达式为：

式中Nout表示天然气携带流出管道的颗粒量，个/s；Nin表示进入管道的颗粒量，个/s。

2 模型建立及边界条件

2.1 研究实例

选取云南省昆明市由人工煤气置换为天然气后的燃气输配管道为研究对象，由于昆明市人工煤气的长期使用，导致人工煤气中的萘杂质大量在管道内壁沉积。该市燃气管道萘沉积的典型情况如图2所示。

图2 昆明市燃气管道内萘沉积的照片

利用赛默飞质谱—色谱分析仪检测置换后的天然气组成如表1所示。

表1 天然气组成

以昆明市置换气源后的天然气输配管道为研究对象，模拟已沉积萘在水平直管、水平弯管以及三通管内的运移情况。经查阅《动力管道设计手册》[17]，在中低压（0.01 MPa ≤p≤0.40 MPa）燃气管道中，天然气输送流速为8～25 m/s，据此设定气流速度分别为10 m/s、15 m/s、20 m/s和25 m/s。根据置换后燃气管道的实际运行情况，确定已沉积萘运移的数值模拟方案如表2所示。

表2 已沉积萘运移的数值模拟方案

2.2 几何模型

根据表2已沉积萘运移的数值模拟方案，建立几何模型并划分网格。建立管长为10 m的水平直管模型，以z轴正方向作为管道内的气体流向，重力则沿y轴负方向；建立进口直管段长度1 m、出口直管段长度2 m水平弯管模型，以x轴负方向作为管道内的气体流向，重力则沿z轴负方向；建立干管长为8 m、支管长为4 m的三通管模型，以z轴正方向作为管道内的气体流向，重力则沿y轴负方向。以管径为500 mm的水平直管、弯曲比为2的水平弯管、管径比为1.0的三通管为例，其几何模型及网格划分结果如图3所示。

2.3 边界条件

2.3.1 入口边界条件

对于连续相，采用速度入口作为入口边界条件，根据表2设置管道入口处的气体流速。用经验公式（2）、（3）来计算湍流强度和水力直径。

图3 几何模型及网格划分图

式中I表示湍流强度；Re表示雷诺数；uavg表示平均流速，m/s；DH表示水力直径，m；ρ表示气流密度，kg/m3；μ表示气流的动力黏度，Pa·s。

对于离散相，置换前人工煤气的萘主要沉积于水平直管管道底部、水平弯管弯曲处以及三通管干支管交汇处。据此，结合表2的数值模拟方案，分别以水平直管入口底部、水平弯管弯曲处、三通管干支管交汇处作为固体萘的射流源，每个时间步长入射3 000个具有相同直径的颗粒，并设定其入射速度为0，以模拟萘在管道内的沉积状态。

2.3.2 出口边界条件

设置管道出口为outf l ow，出口处颗粒为escape（逃逸）。

2.3.3 壁面条件

壁面设置为无滑移壁面。壁面颗粒采用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 管道已沉积萘颗粒运移规律

置换后天然气入口速度10 m/s、温度20 ℃、压力0.1 MPa时，水平直管、水平弯管和三通管内已沉积萘颗粒运移规律如图4～6所示。

图4 水平直管中已沉积萘颗粒运移规律图

图5 水平弯管中已沉积萘颗粒运移规律图

图4 -a展示了粒径大小为0.1 mm的已沉积萘颗粒在管径为500 mm的水平直管内的运动轨迹。图4-b展示沿着z轴距离水平直管入口不同距离处，管道内的萘颗粒浓度分布情况。从图4中可看出，当气流吹入水平直管时，已沉积萘颗粒随气流在管内运移，且运动速度由0 m/s不断增大。运移萘颗粒越靠近主流区，其速度越大。气流携带萘颗粒在管道内运移过程中，部分颗粒会重新沉积，萘颗粒浓度随z轴沿程方向不断下降。

图5-a展示了粒径大小为0.10 mm的已沉积萘颗粒在管径为200 mm、弯曲比为2的水平弯管内的运动轨迹。图5-b展示沿着y轴距离水平弯管弯头不同距离处，管道内的萘颗粒浓度分布情况。从图5中可看出，沉积在弯管弯曲部位的萘颗粒随着气流的吹入，颗粒运动速度不断增大，在弯曲处受离心力和运动惯性的作用，萘更靠近沿着天然气流动方向的管道外侧壁运移，而随着颗粒离开弯曲处，不再受到离心力的作用，颗粒也不再紧贴弯管的外壁侧运移。

图6-a展示了已沉积颗粒粒径大小为0.10 mm的萘颗粒在管径为500 mm、管径比为1.0的三通管内的运动轨迹。图6-b展示沿着x轴距离干支管交汇处不同距离处，管道内的萘颗粒浓度分布情况。从图6中可看出，在干管内，在气流的冲刷作用下，颗粒受干支管交界处气流回流作用及拖曳力的影响，趋向于沿干、支管内贴近干支交界一侧的管道内壁运动，导致颗粒运移速度不断增大，而在逐渐远离干支管交界处之后，气流回流作用的影响逐渐减弱，颗粒受自身重力的影响，其运动速度开始不断减小。在支管内靠近支管入口处，由于气流回流区域的影响，颗粒受到回旋气流的托举升力作用，其运移能力明显增大。而随着颗粒逐渐远离回流区，受重力和气流阻力的影响，颗粒速度逐渐减小。

3.2 已沉积萘颗粒运移影响因素分析

3.2.1 已沉积萘颗粒径大小影响分析

根据表2数值模拟方案，模拟分析入口速度10 m/s、温度20 ℃、压力0.1 MPa，且当已沉积萘颗粒粒径由0.01 mm增加至0.10 mm时，在天然气管道的不同管型内已沉积萘的运移情况。其模拟结果如图7所示。

图6 三通管中已沉积萘颗粒运移规律图

图7 已沉积萘的运移率随颗粒粒径的变化曲线图

当水平直管的管径为500 mm时，萘的运移率降低了24.34%。其他模拟参数不变，当管径由200 mm增加至500 m时，运移率增大了6.4%。当水平弯管弯曲比为2时，萘的运移率降低了34.66%。其他模拟参数不变，当弯曲比由1增加至4时，运移率降低了33.64%。当三通管管径比为1.0时，萘的运移率降低了7.58%。当其他模拟参数保持不变时，当管径比由0.4增加至1.0时，运移率增加71.37%。可见已沉积萘的粒径越大，越难以随天然气运移出管道，运移率越低。随着直管管径和三通管径比增大，进入管内的气流量增大，气流对沉积萘的携带作用不断增强，运移率增高；随着弯管的弯曲比增大，萘在弯曲位置运移时要经过的距离增长，运移率降低。

3.2.2 气流入口速度影响分析

根据表2数值模拟方案，模拟分析颗粒粒径0.10 mm、温度20 ℃、压力0.1 MPa，且当气流入口速度由10 m/s增加至25 m/s时，在天然气管道的不同管型内已沉积萘的运移情况。其模拟结果如图8所示。

当水平直管管径为500 mm时，萘的运移率增大了8.48%。当水平弯管弯曲比为2时，萘的运移率增加0.35%。当三通管管径比为1.0时，萘的运移率降低了7.58%。可见气流入口速度较大时，萘受气流的携带作用增强，越容易改变原有的沉积状态，而随着气流在管道内运移，运移率增大。

3.2.3 已沉积萘的温度影响分析

根据表2数值模拟方案，模拟分析入口速度10 m/s、颗粒粒径0.10 mm、压力0.1 MPa时，温度因素对已沉积萘颗粒在天然气管道的不同管型内的运移影响。其模拟结果如图9所示。

当管径为500 mm，气流入口速度由10 ℃增加至20 ℃时，萘的运移率减小了2.13%，而当气流入口速度由20 ℃增加至25 ℃时，萘的运移率增大了0.54%，可见随着温度的升高。当弯曲比为2，温度由10 ℃增加至25 ℃时，萘的运移率减小0.22%。当管径比为1.0，温度由10 ℃增加至20 ℃时，萘的运移率减小0.04%，当温度由20 ℃增加至25 ℃时，萘的运移率增加0.08%。可见已沉积的萘在气流运动时所受到的拖曳力、颗粒之间的范德华力会随着气体温度的升高而增大，而各种作用的不同变化趋势导致运移率的变化趋势不再单一。随着温度的升高，在水平直管道内的已沉积萘运移率先减小而后增加；在水平弯管内已沉积萘的运移率随温度升高而减小；在三通管道内的已沉积萘运移率先减小而后升高。

3.2.4 管道压力影响分析

根据表2数值模拟方案，模拟分析气流入口速度速度10 m/s、温度为20 ℃、颗粒粒径0.10 mm时，压力因素对已沉积萘分别在天然气水平直管、水平弯管和三通管内运移率变化情况。其模拟结果如图10所示。

由图10可知：当管径为500 mm，压力由0.1 MPa增加至0.4 MPa时，萘的运移率增大了0.65%，当弯曲比为2，压力由0.1 MPa增加至0.4 MPa时，萘的运移率增加0.26%。当管径比为1.0，压力由0.1 MPa增加至0.4 MPa时，萘的运移率增加0. 08%。可见压力越大，萘颗粒在管中运移率越高。这是因为当压力较大时，萘颗粒在管道内随气流运移受到的阻力较小，气流携带萘颗粒运动的能力增大，萘更容易随着气流运动运移出在管道。

图8 已沉积萘的运移率随颗粒气流入口速度的变化曲线图

图9 已沉积萘运移率随温度的变化曲线图

图10 已沉积萘运移率随压力的变化曲线图

4 结论

1）水平直管、水平弯管、三通管中已沉积萘的运移率则与粒径成负相关关系，与压力、气流速度成正相关关系。

2）随着温度升高，水平直管、三通管中已沉积萘的运移率先减小而后增大，水平弯管中已沉积萘的运移率则随之减小。

3）当萘颗粒粒径由0.01 mm增加到0.10 mm时，在水平直管、水平弯管、三通管内已沉积萘运移率的变化范围分别为19.68%～24.34%、30.95%～42.47%、7.58%～19.78%；当气流速度由10 m/s增至25 m/s时，在水平直管、三通管内已沉积萘的运移率变化范围分别为7.38%～8.48%、1.53%～3.54%，而在水平弯管内，已沉积萘的运移率变化范围则小于1%；当温度由10 ℃增至25 ℃时，水平直管内已沉积萘运移率的变化范围为2%，而水平弯管、三通管内已沉积萘运移率的变化范围则小于1%；当压力由0.1 MPa增至0.4 MPa时，水平直管、水平弯管、三通管内已沉积萘运移率的变化范围均小于1%。

4）萘的运移率与水平直管管径大小、三通管管径比呈正相关关系，而与水平弯管弯曲比呈负相关关系。

5）在对置换后燃气管网的萘沉积问题进行处理时，可以根据萘沉积预测结果对燃气管网易出现沉积的管道加强监控，当管道出现压损较大、燃气输送量减小时，可以考虑优先进行管道更换。