含硫天然氣井口籠套式節(jié)流閥硫沉積數(shù)值模擬研究*

李俊逸，李長俊，賈文龍，張財功，韓西成，黃永恒

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2.漢正檢測技術有限公司，四川 廣漢 618000；3.國家管網(wǎng)集團西氣東輸分公司，上海 200122)

0 引言

含硫天然氣集輸系統(tǒng)溫度、壓力的改變將引起天然氣中的硫顆粒析出，析出的硫顆粒隨天然氣運移至節(jié)流閥、分離器等元件時，硫顆粒極易在節(jié)流閥等管件處沉積[1]。硫沉積會引起集輸管道及管件的流通面積減小，導致集輸系統(tǒng)的輸送效率下降，甚至引起管件堵塞等生產(chǎn)安全事故。資料表明，含硫天然氣井口籠套式節(jié)流閥(以下簡稱籠套式節(jié)流閥)的硫沉積及堵塞問題最嚴重。普光氣田[2]籠套式節(jié)流閥的部分節(jié)流孔附近有硫沉積，部分節(jié)流孔堵塞。元壩氣田[3]籠套式節(jié)流閥的閥芯與籠套間的環(huán)形空間內(nèi)出現(xiàn)硫沉積，并堵塞節(jié)流閥。因此，開展籠套式節(jié)流閥硫沉積問題的研究，揭示節(jié)流閥內(nèi)硫沉積規(guī)律，對提高含硫天然氣集輸系統(tǒng)的安全高效運行水平意義重大。

針對含硫天然氣集輸系統(tǒng)中的硫沉積問題，目前的研究主要是基于數(shù)值模擬方法開展研究。陳磊等[4-5]采用數(shù)值模擬方法研究得到了球閥內(nèi)的硫顆粒沉積率隨天然氣流速、硫顆粒粒徑增大而增大，隨球閥開度增大而減小的規(guī)律；同時，基于雷諾應力模型研究了水平彎管的硫沉積規(guī)律，發(fā)現(xiàn)彎管中硫顆粒的沉積率隨流速、粒徑和彎曲比的增大而增大。李德選等[6]對高含硫天然氣集輸系統(tǒng)開展的溫度場分析中發(fā)現(xiàn)，硫沉積是含單質(zhì)硫天然氣與管壁的溫差引起的。葉青松[7]對普光氣田集輸系統(tǒng)硫沉積分析發(fā)現(xiàn)，籠套式節(jié)流閥的結(jié)構對硫顆粒較為敏感。王勇[8]分析了高含硫氣田集輸管道中的環(huán)壁等厚度硫沉積機理。戴穎[9]基于CFD模擬發(fā)現(xiàn)水平管道中顆粒的沉積率隨顆粒尺寸的增大而增大。綜上所述，在研究方法方面，現(xiàn)有含硫天然氣集輸系統(tǒng)硫沉積問題的研究主要基于雷諾應力模型與離散相模型，采用計算流體動力學方法研究球閥、彎管及直管的硫沉積規(guī)律。進一步分析現(xiàn)有成果，發(fā)現(xiàn)導致集輸系統(tǒng)硫沉積的原因主要包括2方面：首先，天然氣中元素硫的沉積與流動參數(shù)及顆粒尺寸有關[1]，因此，需要關注節(jié)流閥氣流進口速度、顆粒直徑等氣體介質(zhì)條件對硫沉積規(guī)律的影響；其次，資料表明，部分天然氣含硫高達34.35%也未見硫堵，而個別天然氣僅含硫8.4%就發(fā)生硫堵，可見含硫量不是影響硫沉積的唯一因素[6]，而元件處的流場結(jié)構也是影響硫沉積的因素。因此，節(jié)流閥開度、節(jié)流孔直徑及閥芯內(nèi)徑等結(jié)構因素也是影響硫沉積規(guī)律的關鍵因素。

然而，目前針對籠套式節(jié)流閥的研究主要是閥芯孔眼附近的沖蝕防治研究[10-12]，圍繞籠套式節(jié)流閥硫沉積的研究相對較少，對節(jié)流閥內(nèi)的硫沉積規(guī)律認識不明確，難以有效指導籠套式節(jié)流閥硫沉積的主動防治。為此，本文基于雷諾應力模型(Reynolds Stress Model,RSM)、組分輸運模型及離散相模型(Discrete Phase Model,DPM)建立籠套式節(jié)流閥的硫沉積仿真模型，分析氣流進口速度、硫顆粒直徑等氣體介質(zhì)條件及節(jié)流閥開度、節(jié)流孔直徑及閥芯內(nèi)徑等閥門結(jié)構因素對籠套式節(jié)流閥硫沉積特性的影響。

1 數(shù)值模型及定解條件

1.1 模型假設

假設籠套式節(jié)流閥中的流動為稀疏氣固兩相流；硫顆粒為球形，且假設粒徑相同；硫顆粒主要受阻力、重力與浮力的作用，忽略顆粒間的相互作用力。

1.2 數(shù)學模型

1)連續(xù)相湍流方程

籠套式節(jié)流閥的流場復雜，考慮到RSM模型能反映湍流各向異性[9]，對伴隨固體顆粒運移沉積的復雜湍流描述較佳的優(yōu)點，對連續(xù)相湍流采用RSM模型描述，其控制方程見文獻[13]。

2)離散相顆粒運動方程

采用DPM模型追蹤顆粒運動軌道，x方向上的顆粒平衡方程如式(1)所示：

(1)

式中：t為時間，s；u為天然氣速度，m/s；us為硫顆粒速度，m/s；ρ為天然氣密度，kg/m3；ρs為硫顆粒密度，kg/m3；gx為x方向的重力加速度分量，m/s2；ds為硫顆粒直徑，μm；Fx為其他力，N/kg；CD為硫顆粒阻力系數(shù)；μ為天然氣動力黏度，Pa·s；Res為硫顆粒相對雷諾數(shù)。

在采用隨機軌道模型追蹤硫顆粒的軌跡時，任意小的時間間隔內(nèi)，顆粒速度表達式如式(2)所示：

(2)

式中：τs為硫顆粒松弛時間，s。

1.3 數(shù)值模擬模型及求解參數(shù)

1.3.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

采用文獻[14]中的籠套式節(jié)流閥為研究對象，結(jié)構見圖1。大節(jié)流孔正對來流，直徑90 mm；小節(jié)流孔軸線垂直于來流方向，直徑20 mm；閥芯內(nèi)徑130 mm。

圖1 籠套式節(jié)流閥與輔助路徑示意Fig.1 Schematic diagram of cage sleeve throttle valve and auxiliary path

為保證湍流的穩(wěn)定性，在節(jié)流閥的進口與出口分別增加長度為10D的直管段(D為進出口管道直徑)。對計算域進行非結(jié)構化四面體網(wǎng)格劃分，并插入膨脹層以加密壁面附近的網(wǎng)格。圖2所示為計算域網(wǎng)格劃分結(jié)果。為定量分析硫沉積率，建立路徑AB見圖1。

圖2 籠套式節(jié)流閥網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of cage sleeve throttle valve

1.3.2 定解條件與工況設定

連續(xù)相進、出口邊界條件分別選擇速度入口、壓力出口，壁面邊界采用無滑移壁面，天然氣組成見表1。

表1 天然氣組分Table 1 Components of natural gas

天然氣密度為0.754 kg/m3，動力黏度為1.72×10-5kg/(m·s)，采用文獻[3]的方法試算得到顆粒質(zhì)量流量為2×10-4kg/s。硫顆粒由面射流源加載，密度為2 046 kg/m3。根據(jù)文獻[15]研究成果，設定硫顆粒粒徑在10～100 μm之間，硫顆粒松弛時間為3.1×10-4～3.1×10-2s。對本文討論的粒徑，硫顆粒的阻力系數(shù)在2.149～25.753之間。固體壁面采用捕捉邊界，在進、出口邊界處采用逃逸邊界。根據(jù)《高含硫化氫氣田地面集輸系統(tǒng)設計規(guī)范》[16]，取氣流進口速度為3，4，5，6 m/s。設定閥門開度20%～80%，大節(jié)流孔的孔徑70～110 mm，閥芯內(nèi)徑110～150 mm。數(shù)值模擬工況設定如表2。

表2 數(shù)值模擬工況Table 2 Conditions of numerical simulation

2 結(jié)果討論

2.1 網(wǎng)格無關性驗證與模型驗證

圖3所示為40%開度的網(wǎng)格無關性驗證結(jié)果。當網(wǎng)格數(shù)量為686 230，823 628，957 580時，路徑AB的沉積率計算結(jié)果差異不大。因此，開度40%的計算域網(wǎng)格數(shù)量為686 230。采用同樣的方法，得到20%、60%、80%開度的網(wǎng)格數(shù)量分別為684 199，688 486，690 880。

圖3 網(wǎng)格無關性驗證Fig.3 Mesh independence verification

目前，由于籠套式節(jié)流閥結(jié)構及閥內(nèi)硫沉積情況復雜，缺乏關于籠套式節(jié)流閥的硫沉積實驗數(shù)據(jù)。因此，為了驗證本文所建立的模型，首先，以節(jié)流閥的閥系數(shù)為依據(jù)，采用文獻中的實驗數(shù)據(jù)[17]，驗證模型對流場的預測精度。圖4所示為閥系數(shù)模擬結(jié)果與文獻實驗數(shù)據(jù)對比。研究表明，模型的計算值與實驗值[18]的最大偏差為2.8%。其次，現(xiàn)場的籠套節(jié)流閥硫沉積圖與模擬結(jié)果的對比見圖5，分析可知，模擬得到硫沉積的位置在節(jié)流孔附近，與實際情況相符。以上2方面分析，說明本文建立模型的適用性。

2.2 流場分析

圖6(a)～(c)所示為40%開度、氣流進口速度為4～6 m/s時的速度云圖。分析可知，閥門開度相同時，含硫天然氣在經(jīng)過節(jié)流孔后，速度分布規(guī)律保持一致，氣流進口速度越大，節(jié)流孔后速度越大。圖6(b)、圖6(d)～(f)所示為進口速度為5m/s時，不同開度的籠套式節(jié)流閥速度云圖。直管段的速度分布較均勻，當流體流經(jīng)閥芯時速度變化較大。閥門開度小時，節(jié)流孔后出現(xiàn)速度極大值，節(jié)流閥開度增加，節(jié)流孔后速度極大值減小。這一規(guī)律符合Bernoulli原理，說明了本文所建模型的正確性。

圖6 不同進口速度與開度下的速度云圖Fig.6 Velocity nephograms under different inlet velocities and openings

2.3 顆粒沉積規(guī)律分析

圖7所示為40%開度時不同氣流進口速度下的沉積云圖。在氣流進口速度從3 m/s逐漸增加到6 m/s的過程中，正對來流的節(jié)流孔外側(cè)下緣首先出現(xiàn)硫沉積，隨著流速逐漸增大，在閥芯內(nèi)側(cè)及閥套邊緣處也逐漸出現(xiàn)了沉積，而節(jié)流孔外側(cè)下緣的沉積情況變化不大。

圖7 不同氣流進口速度下的沉積云圖Fig.7 Deposition nephograms under different airflow inlet velocities

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是節(jié)流孔外側(cè)下緣出現(xiàn)了氣流的回流，氣流進口速度的增大對該處的回流影響不大，而其余2個位置處的氣流剪切作用較強，氣流進口速度越大，氣流的剪切作用越強。

2.3.1 閥門開度的影響

圖8所示為速度為5 m/s時，不同開度下的硫沉積云圖。當閥開度為20%時，路徑AB的沉積率最大值出現(xiàn)在距大節(jié)流孔下緣約30 mm處，開度為40%、60%、80%時的規(guī)律相同。開度增大，正對來流的節(jié)流孔外側(cè)下緣的沉積情況變化不大，這可能因為開度對正對來流節(jié)流孔外側(cè)下緣的流場影響不顯著；閥芯內(nèi)側(cè)及閥套邊緣的沉積分別逐漸加劇、消失，這可能是因為在同一氣流進口速度下，開度越大，硫顆粒與閥芯內(nèi)側(cè)、閥套邊緣的接觸幾率分別增大、減小所致。

圖8 不同開度下的沉積云圖Fig.8 Deposition nephograms under different openings

為了進一步定量分析閥門開度對正對來流的節(jié)流孔外側(cè)下緣位置沉積情況的影響，對比不同開度下沿路徑AB的最大沉積率變化規(guī)律，如圖9所示。分析可知，在相同的氣流進口速度下，節(jié)流閥開度越大，沉積率越小。從氣固兩相流的角度分析，這是因為閥門開度越大，該位置的回流衰減，導致硫顆粒運移至該位置并與閥芯碰撞并沉積的機率減小。以氣流進口速度為5 m/s為例，40%開度的沉積率較20%下降1.98%，60%開度的沉積率較40%下降3.27%，80%開度的最大沉積率較60%下降5.62%，可見，開度越大，節(jié)流閥最大沉積率下降速率越快。

圖9 不同開度下最大沉積率變化Fig.9 Variation of maximum deposition rate at different openings

2.3.2 硫顆粒直徑的影響

圖10所示為硫顆粒粒徑與沉積率的關系。以40%開度為例，硫顆粒粒徑由20 μm增加至30 μm時，沉積率增加4.57%；粒徑由90 μm增加至100 μm時，沉積率增加9.33%。因此，在同一開度下，粒徑增大，節(jié)流孔附近的硫顆粒沉積率逐漸增大。這可能是因為硫顆粒在節(jié)流閥處的沉積主要受重力作用的影響，硫顆粒的重力隨粒徑的增大而增大，硫顆粒的慣性更大，因此，硫顆粒隨氣流運動至節(jié)流閥內(nèi)的幾率增大，從而硫顆粒與閥芯以及內(nèi)壁發(fā)生碰撞并沉積的幾率增大，這個規(guī)律與文獻[4]中得到的規(guī)律一致。

圖10 硫顆粒粒徑對沉積率的影響Fig.10 Influence of sulfur particle diameter on deposition rate

2.3.3 孔徑的影響

圖11所示為節(jié)流孔直徑與硫沉積率的關系。分析可知，在同一節(jié)流孔孔徑下，路徑AB上的沉積率呈先增大后減小的變化規(guī)律。而且，節(jié)流孔直徑越大，路徑AB上的最大沉積率越小?？赡艿脑蚴窃谙嗤_度下，孔徑越大，正對來流的節(jié)流孔外側(cè)下緣壁面對硫顆粒的阻礙作用越小，硫顆粒容易被天然氣氣流帶入節(jié)流閥，而不在該位置沉積。

圖11 不同節(jié)流孔直徑對沉積率的影響Fig.11 Influence of different orifice diameters on deposition rate

圖12所示為路徑AB上的最大沉積率隨孔徑的變化。分析可知，孔徑增大，節(jié)流閥的最大沉積率近似以7.8×10-5kg/(m2·mm)的平均速率下降。當孔徑由70 mm增加至80 mm，最大沉積率下降57.48%，當孔徑由90 mm增加至100 mm時，最大沉積率下降12.10%。

圖12 節(jié)流孔直徑與最大沉積率的關系Fig.12 Relationship between orifice diameter and maximum deposition rate

2.3.4 閥芯內(nèi)徑的影響

圖13所示節(jié)流閥閥芯直徑與最大沉積率的關系。分析可知，閥芯內(nèi)徑增大，路徑AB上的硫顆粒最大沉積率近似以7.4×10-5kg/(m2·mm)的平均速率下降。當閥芯內(nèi)徑由120 mm增加至130 mm時，最大沉積率下降17.49%，當閥芯內(nèi)徑由130 mm增加至140 mm時，最大沉積率下降30.33%。這可能是因為內(nèi)徑增大，節(jié)流孔前速度增大，氣流對顆粒的沖刷作用加強導致。

圖13 閥芯內(nèi)徑與最大沉積率的關系Fig.13 Relationship between inner diameter of valve core and maximum deposition rate

3 結(jié)論

1)籠套式節(jié)流閥的硫沉積主要出現(xiàn)在3個位置：正對來流的節(jié)流孔外側(cè)下緣、閥套邊緣以及閥芯內(nèi)側(cè)，其中，正對來流的節(jié)流孔外側(cè)下緣對硫沉積率最敏感。開度增大，正對來流的節(jié)流孔外側(cè)下緣沉積情況變化不大，而閥芯內(nèi)側(cè)及閥套邊緣的沉積分別加劇、消失。

2)同一開度下，氣流進口速度增大，正對來流的節(jié)流孔外側(cè)下緣的沉積率呈先增大后減小的變化趨勢，節(jié)流閥氣流進口速度在5 m/s時，沉積率達到最大。

3)正對來流的節(jié)流孔外側(cè)下緣的沉積率與粒徑呈正相關，與閥門開度、節(jié)流孔孔徑、閥芯內(nèi)徑呈負相關，其中，隨節(jié)流孔孔徑與閥芯內(nèi)徑增大，最大沉積率近似以7.8×10-5、7.4×10-5kg/(m2·mm)的平均速率下降。