馬貴陽， 喬偉彪， 陳 揚(yáng)， 杜明俊， 李朝陽

( 1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 華北分公司，河北 任丘 066225 )

0 引言

液化石油氣長輸管線在國外應(yīng)用較廣，一些發(fā)達(dá)國家通過長輸干線和支線將各個(gè)煉廠和消費(fèi)城市聯(lián)系起來形成管網(wǎng)，成為分配燃料的重要途徑之一[1-2].隨著對清潔燃料需求的快速增長，國內(nèi)生產(chǎn)的LPG(液化石油氣)已遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)和民用需要，需從國外大量進(jìn)口，以往多采用低溫常壓運(yùn)輸船運(yùn)送至我國[3-4].伴隨國內(nèi)管道事業(yè)不斷的興起，長輸液化石油氣將成為可能.由于LPG為多組分液態(tài)烷烴,且每種產(chǎn)品的用量常發(fā)生變化，為了最大限度提高管道利用率，需要對多組分液態(tài)烴在同一管線中順序輸送.這需要對不同液態(tài)烷烴順序輸送過程中混液體積分?jǐn)?shù)及混液界面的分布規(guī)律進(jìn)行深入研究[5-6].如丙烷和丁烷在順序輸送過程中，由于丁烷易氣化，形成三相混輸?shù)膹?fù)雜情況，并且丙烷和丁烷在飽和蒸氣壓、沸點(diǎn)、密度等方面存在很大的差異.

筆者以丁烷-丙烷順序輸送為例，利用計(jì)算流體力學(xué)中的多相流Mixture模型，編寫丁烷溫升氣化過程的傳熱傳值UDF程序，數(shù)值模擬后續(xù)丙烷與前行丁烷的順序混輸過程，分析丙烷不同入口速度、管徑、環(huán)境溫度、丁烷氣化率對Z型管下游直管段混液體積分?jǐn)?shù)的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo).

1 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

1.1 數(shù)學(xué)模型

采用多相流混合模型(Mixture Model)數(shù)值計(jì)算液化丙烷、丁烷及氣化丁烷的三相流動(dòng).該模型不僅適用于計(jì)算相間存在滑移速度的多相流動(dòng)，還適用于有強(qiáng)烈耦合的各向同性和各相異性的多相流動(dòng)，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε二方程.故控制方程[7-11]：

質(zhì)量守恒方程為

(1)

動(dòng)量守恒方程為

ρmg+F+

(2)

能量守恒方程為

(3)

1.2 邊界條件

速度入口(VELOCITY_INLET)和自由出流出口(OUTFLOW)，還有加熱管壁(JIAREWALL)和恒溫管壁 (HENGWENWALL).在GAMBIT前處理時(shí)，采用三角形網(wǎng)格對Z型管進(jìn)行網(wǎng)格劃分且節(jié)點(diǎn)間隔數(shù)為60.

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

圖1 Z字型雙彎頭管的物理模型

對幾何模型內(nèi)的2種液化石油氣產(chǎn)品(丙烷和丁烷)的混液量進(jìn)行研究.物理模型采用：2個(gè)水平直管段長度分別為3 m和5 m，2個(gè)90°彎頭和1個(gè)豎直直管段，長度為3 m.初始管內(nèi)為不流動(dòng)的丁烷，在外界溫度的影響下，不斷氣化，形成封閉系統(tǒng)的氣液兩相流動(dòng).氣化一定時(shí)間后，開始注入丙烷，實(shí)現(xiàn)不同組分LPG順序輸送過程.Z字型雙彎頭管的物理模型見圖1，水平直管段局部網(wǎng)格放大見圖2.

圖2 水平直管段局部網(wǎng)格放大

2.1 丙烷流速對體積分?jǐn)?shù)的影響

不同丙烷入口速度下兩相組分混合界面云圖及對應(yīng)的截面平均體積分?jǐn)?shù)曲線分別見圖3和圖4.由圖3可以看出：在其他條件不變的情況下，隨著丙烷入口速度的增加，混合界面擾動(dòng)劇烈，這是由于原Z型管內(nèi)存有一部分氣化的丁烷，隨著丙烷流速的增加，后行丙烷推動(dòng)丁烷氣體向前流動(dòng)，在前后壓差的作用下，使丁烷氣體不斷壓縮形成具有極高湍動(dòng)能的氣體分子，在后續(xù)丙烷的頂擠作用下與丁烷不斷摻混.由圖4可以看出：隨著流速的增加，下游直管段各截面丙烷平均體積分?jǐn)?shù)相對增大，進(jìn)一步驗(yàn)證丙烷不同入口流速對混液量的影響.

圖3 不同入口速度下混合界面云圖

圖4 不同入口速度、相同氣化率下截面平均體積分?jǐn)?shù)曲線

2.2 氣化時(shí)間對體積分?jǐn)?shù)的影響

不同氣化時(shí)間下丙烷、丁烷混合界面分布云圖和不同氣化率、氣化時(shí)間下截面平均體積分?jǐn)?shù)曲線分別見圖5和圖6.由圖5可以看出：當(dāng)管外環(huán)境溫度相同時(shí)，加熱不同的時(shí)間，使管內(nèi)丁烷氣化率不同，然后注入丙烷，一定時(shí)間后發(fā)現(xiàn)不同氣化情況下，管內(nèi)丙烷、丁烷混合界面均比較平緩，未出現(xiàn)界面擾動(dòng)現(xiàn)象，且丙烷集中分布在上部，丁烷在下部.這主要是由于丁烷密度高于丙烷，且下部丁烷氣化產(chǎn)生浮升力作用，使丙烷向上運(yùn)移.隨著氣化時(shí)間的延長，兩相界面逐漸開始擾動(dòng).這是由于當(dāng)丁烷氣體含量較多時(shí)，管內(nèi)混合流體湍動(dòng)能增大導(dǎo)致的.由圖6可以看出：隨著氣化率的減少，水平管段軸向距離上各截面丙烷平均體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，說明隨著丁烷氣化量的增多，混合氣體密度接近，丙烷擴(kuò)散速率加快.

圖5 不同氣化時(shí)間下丙烷、丁烷混合界面云圖

圖6 不同氣化率、氣化時(shí)間下截面平均體積分?jǐn)?shù)曲線

2.3 環(huán)境溫度對體積分?jǐn)?shù)的影響

不同環(huán)境溫度下丙烷、丁烷混合界面云圖和下游水平管內(nèi)各截面丙烷平均體積分?jǐn)?shù)曲線分別見圖7和圖8.由圖7可以看出：相同時(shí)間內(nèi)，隨著管外漏熱量的不同，管內(nèi)丁烷氣化率不同，然后注入丙烷，一定時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，下游直管內(nèi)兩相混合界面隨環(huán)境溫度的升高而逐漸開始波動(dòng).這是由于在環(huán)境溫度相對較低時(shí)，相同時(shí)間，產(chǎn)生丁烷氣體量少，浮升力引起的湍動(dòng)能小，隨著管壁溫度升高，氣相含量增多，且氣體分子運(yùn)動(dòng)呈不規(guī)則性，并不斷向丙烷內(nèi)部擴(kuò)散，降低截面丙烷體積分?jǐn)?shù).由圖8可以看出：隨著環(huán)境溫度的升高，水平直管段各截面丙烷平均體積分?jǐn)?shù)逐漸遞減.這是由于環(huán)境溫度升高時(shí)，丁烷氣體量增加，除占據(jù)一定空間外，還在壓力梯度作用下逐漸向丙烷內(nèi)部擴(kuò)散.

圖7 不同環(huán)境溫度下混合界面云圖

圖8 不同環(huán)境溫度、相同氣化率下截面平均體積分?jǐn)?shù)曲線

2.4 管徑對體積分?jǐn)?shù)的影響

不同管徑下丙烷、丁烷摻混界面云圖和下游管段截面丙烷平均體積分?jǐn)?shù)曲線分別見圖9和圖10.由圖9可以看出：在其他條件不變情況下，隨著管徑的增加，兩相混合界面由平緩逐漸開始擾動(dòng).這是由于丙烷在小管徑下流動(dòng)軸向壓力梯度較大，迫使后續(xù)丙烷向前行丁烷契入，而隨著管徑的增大，軸向壓力變化相對平緩，削弱后續(xù)丙烷的頂擠作用，此時(shí)丙烷、丁烷密度差引起的兩相混合波動(dòng)占主要地位.由圖10可以看出：隨著管徑的增加，水平直管段各截面的平均體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，進(jìn)一步驗(yàn)證上述原因.

圖9 不同管徑下混合界面云圖

圖10 不同管徑、相同氣化率下截面平均體積分?jǐn)?shù)曲線

3 結(jié)束語

通過對LPG產(chǎn)品氣化順序輸送過程的數(shù)值模擬可知：丙烷入口流速、氣化時(shí)間、管壁漏熱量、管徑對LPG順序輸送混液界面影響較大.丙烷入口速度增加時(shí)，水平直管段各截面丙烷平均體積分?jǐn)?shù)增加且界面分布平緩；隨著氣化率減少，水平直管段各截面丙烷體積分?jǐn)?shù)增加；當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，水平直管段丙烷各截面體積分?jǐn)?shù)減少；管徑減少時(shí)，水平直管段各截面丙烷體積分?jǐn)?shù)增加.計(jì)算結(jié)果可為工程實(shí)際提供一定的理論依據(jù).