天然气增输器数值模拟

第26卷第2期石油化工高等学校学报Vol.26 No. 22013年4月.JOURNAL OF PETROCHEMICAL UNIVERSITIESApr.2013文章编号:1006 396X(2013)02 0074-03天然气增输器数值模拟李朝阳，赵兴元(中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,四川成都610041)摘要:根据自激振荡脉冲射流理论与壁面振动减阻理论,对变径管及天然气增输器管道内天然气流动情况进行了数值模拟及分析。结果表明,天然气流经增输器时,在碰撞壁处压力波动较大,存在径向环流,引起壁面的径向振动;与普通变径管相比,增输器出口处的压强与入口相比有明显的降低,湍动能变化较大。在相同工况条件下，经增输器后压力降低,管道输气量显著增加。关键词:天然气;增输器;数值模拟中图分类号: TE624. 1文献标志码: Adoi:10. 3969/j. issn. 1006-396X. 2013. 02. 017Numerical Simulation on the Natural Gas Increasing DeviceLI Zhaoyang, ZHAO Xingyuan(Southwest Com pany ,China Petroleum Engineering Co. Ltd. ,Chengdu Sichuan 610041 ,China)Received 17 May 2012; revised 22 October 2012; accepted 4 January 2013Abstract: According to the theory of self. excited oscillation pulsed jet and the wall friction reduction, vibration, diameterchanges pipe and natural gas increasing device flow was simulated and analyzed. The results show that, when natural gas flowthrough increasing device, the pressure fluctuate in collision, radial circulation cause wall there radial vibration. Compared withordinary diameter changes pipe, the pressure has significantly reduced then entrance exit. Turbulent kinetic energy varyconsiderably. In the same conditions, the pressure is reduced and pipe gas transmission is increased significantly.Key words: Natural gas; Natural gas increasing device; Numerical simulationCorresponding author. Tel. :+ 86-28-82978967; e mail:lizhaoyang5208840@ 126. com提高天然气管道的输送量可以采用增大管径、管道增输器增输机理进行研究具有- - 定难度,数值输送压力、内涂层技术及减阻剂技术1。增大管径模拟的方法可以应用于天然气增输方面的研究[5]。和输送压力的方法受到安全性及经济性等方面的限重庆大学廖振方等[6]根据自激振荡脉冲射流理论与制[2]。大管径管道处于湍流粗糙区,而小管径管道壁面振动减阻理论,对管道增输器进行了理论和实处于混合摩擦区,故内涂层技术对小管径输气管道验的研究。但其仅限于对单- - 装备结构进行研究，作用不大的。对于减阻剂技术只有大分子量的高聚缺乏对比行。本文运用仿真软件对变径管及天然气物才能抑制径向脉动,产生明显的减阻效果(。如增输器管道内天然气流动情况进三维数值模拟,得何在天然气供应充足、输送压力稳定时,在原有工况到了不同形状增输设备的增输结果。条件下显著增加天然气的输送量具有重要的现实意义。1控制方程管道增输器是前小后大中间具有腔室、利用壁由于天然气中的水分分布范围较窄,为了获得面共振原理来达到管道增输目的的组件。由于增大较为准确的数据,选用欧拉模型。管径、输送压力、内涂层技术及减阻剂技术存在一定体积分数方程不足,管道增输器以其结构简单、无运动件、安全可V,=|a。dV其中 Za,=1,pn=aqPo (1)靠等优点获得了广泛关注。采用实验方法对天然气式中,aq是第q相的体积分数,p,是第q相的有效密收稿日期:2012-05-17度,pq第q相的物理密度。作者简介:李朝阳(1984-)，男，安徽亳州市,硕士。质量守恒方程第2期李朝阳等，天然气增输器数值模拟75区域进行网格划分。变径管划分40 680个网格单(apo2)+ V(agPrUx)= Zmw元,43584个节点;增输器划分226426个网格单其中,V (aqprUq)是散度,U。是q相的速度,m,为从元,158 868个节点。第p相到q相的质量传递。2.2边界条件动量守恒方程选择耦合式求解器，隐式计算方式,非定常流2(apru。)+ V(aqPoUsU,)=-a,Vp+V●t+动,二阶迎风格式。出入口边界条件:人口压强为1MPa,入口体积含水率为0, 005,出口压力为0.82(Rpq +mm7m) +ap,(F,+FEo+Fmn)MPa。(3)3数值模拟结果式中,=au。(Vv。+V5)+a。(2。-号μ)V●3.1出口质量流量及压力v,I,V(apvU。)是散度,μ和λ。是q相的剪切和体管道出口处质量流量与总压力见表1。由表1积黏度,F。是外部体积力,F.是虛拟质量力,R，可知增输器在出口处质量流量与总压均增加;稳定是相之间相互作用力,力是所有相之间共享的压力，流量14.1 kg/s,稳定总压0. 95 MPa.Vx是相间速度。表1出口质量流量及压力连续方程Table 1 Flow rate and pressure of export mass寻(a)+口.(agp,)=L<之mm-a, doe)模型出口质量流量/(kg.s51)出 口总压/MPaPqd变径管5.50. 99(4)增输器14.10.952数值模拟及分析3.2轴向切面流场图2.1管道模型图2、3为轴向切面流场图。由压强云图可知，变径管为人口段管径小，出口段管径大,中间平变径管在变径处压强变化较大且在突扩处存在小范滑过渡的管道装置。增输器与变径管具有前小后大围低压区，下游压强变化不明显;增输器在上喷口及，的相同结构,但中间为正方形的腔室。靠近出口段腔室内压强恒定，下喷口处压强由0. 71 MPa.上升为45°倾角的壁面。变径管人口段管径0.1 m、管长至0.795 MPa,变化明显。由速度云图可知,在变径0.2 m,出口段管径0.12 m、管长0.2 m,变径段管处动压由1 040降低至760,速度损失26. 9% ;天然长0.2m。天然气增输器上喷嘴管径0.1 m、管长气流经增输器后动压由300减小至260,损失率0.2 m,腔室为0.25 mX0.25 mX0.225 m长方体13.3%,腔室碰撞壁处存在环流区。由湍动能云图去除半径0.25 m、高0.625 m圆锥剩余部分,下喷可知,天然气流经增输器时湍动能变化较大。嘴管径0.12 m、管长0.237 5 m。由于设备具有对称性,本文仅给出中间轴向切面的计算模型图,管道强计算区域模型见图1。760).10.12.2-.0.2.60000 vi S0多“间)变径管模型.-0.20.245°图2变径管轴向切面流场图0.25Fig.2 Axial plane flow of reducer tube0123.3 径向切面流场图一-0.2--0.237 5-- +图4为增输器X=0.2径向切面流场图。由图(6) 增输器模型图1管道模型4可知,变径管径向压强、速度、湍动能等值线均呈同心圆状分布，越靠经管壁梯度变化越大。压强从Fig. 1 Pipe model采用四面体与六面体相结合的网格划法对计算内到外由0.798MPa增至0.807MPa;速度由760减至660;湍动能由6 600减至3 600。76石油化工高等学校学报第26卷图5为增输器X=0径向切面流场。由图5可9.05 乐厦發t-0.5图知,在0~0.05圆形区域内压强呈同心圆分布,由0.7074MPa减至0.7059MPa,在圆范围外压强0.05 度变化不规则;速度在0~0.05内为定值300m/s，-0:05图0.05~0.075内由300 m/s剧降至60 m/s,在腔室Pa 51000:05动角处存在一80m/s的逆流区;图5可知增输器湍动1001200能在0~0. 05内为定值800,0. 05~0.075内由800-0.10窗-0.3-0.2 -0.1增至3 200再减至800。图3增输器轴向切面流场图Fig.3 Axial plane flow increasing device0.060.00.040.04-0.021:00000-0.02-0.04-0.04--0.061111 -0.06出十-0.00006-00-0.02 00.020.04 006团)压强云图(b)速度云图(c)湍动能云图图4变径管X=0.2径向切面流场图Fig. 4 Reducer pipe X = 0.2 radial section flow chart| 0.050.050.100.10 (间压强云图()端动能云图图5增输器 X=0径向切面流场图Fig.5 Increasing device X = 0 radial section flow chart4结果分析气量的计算公式可知输出压力减小时输气量增加。由模拟结果知,天然气流经增输器时,在碰撞壁处压力波动较大。这是由于在腔室内存在环流,径5 结论向压力分量引起振荡腔壁面振动。与普通变径管相(1)在碰撞壁处压力波动较大,存在径向环流，比,增输器出口处的压强与人口相比有明显的降低，引起壁面的径向振动。湍动能变化较大;出口速度明显降低,振荡腔室内压(2)在相同工况条件下,天然气经增输器后压力波动很大,从而达到增加输气量的目的。根据输力降低,管道输气量显著增加。参考文献[1] 李国平,刘兵,鲍旭晨,等.天然气管道的减阻与天然气减阻剂[J].油气储运,2008,27(3):15-21.[2]阎光灿。 世界长输天然气管道综述[J].天然气与石油,2000,18(3):9-19.[3]刘雯,邹晓波. 国外天然气管道输送技术发展现状[J].石油工程建设,2005,31(3) :20-23.[4]李世荣,宋艾玲，张树军. 我国油气管道现状与发展趋势[J].油气田地面工程,2006 ,25(6):7-8.[5] 卢志红,高兴坤，曹锡玲.气侵期间环空气液两相流模拟研究[J].石油钻采工艺,2008,30(1):25-28.[6] 廖振方,陈德淑,潘志敏,等。管道增输器的工作原理与工业应用试验[J].油气储运,2010, 29(1):52-53.(Ed. :WYX,CP)