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）

提高天然气管道的输送量可以采用增大管径、输送压力、内涂层技术及减阻剂技术［1］。增大管径和输送压力的方法受到安全性及经济性等方面的限制［2］。大管径管道处于湍流粗糙区，而小管径管道处于混合摩擦区，故内涂层技术对小管径输气管道作用不大［3］。对于减阻剂技术只有大分子量的高聚物才能抑制径向脉动，产生明显的减阻效果［4］。如何在天然气供应充足、输送压力稳定时，在原有工况条件下显著增加天然气的输送量具有重要的现实意义。

管道增输器是前小后大中间具有腔室、利用壁面共振原理来达到管道增输目的的组件。由于增大管径、输送压力、内涂层技术及减阻剂技术存在一定不足，管道增输器以其结构简单、无运动件、安全可靠等优点获得了广泛关注。采用实验方法对天然气管道增输器增输机理进行研究具有一定难度，数值模拟的方法可以应用于天然气增输方面的研究［5］。重庆大学廖振方等［6］根据自激振荡脉冲射流理论与壁面振动减阻理论，对管道增输器进行了理论和实验的研究。但其仅限于对单一装备结构进行研究，缺乏对比行。本文运用仿真软件对变径管及天然气增输器管道内天然气流动情况进三维数值模拟，得到了不同形状增输设备的增输结果。

1 控制方程

由于天然气中的水分分布范围较窄，为了获得较为准确的数据，选用欧拉模型。

体积分数方程

质量守恒方程

其中，▽（αqρqvq）是散度，vq是q 相的速度，˙mpq为从第p 相到q 相的质量传递。

动量守恒方程

连续方程

2 数值模拟及分析

2.1 管道模型

变径管为入口段管径小，出口段管径大，中间平滑过渡的管道装置。增输器与变径管具有前小后大的相同结构，但中间为正方形的腔室。靠近出口段为45°倾角的壁面。变径管入口段管径0.1m、管长0.2m，出口段管径0.12m、管长0.2m，变径段管长0.2m。天然气增输器上喷嘴管径0.1 m、管长0.2m，腔室为0.25m×0.25m×0.225m 长方体去除半径0.25m、高0.625m 圆锥剩余部分，下喷嘴管径0.12m、管长0.237 5m。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，管道计算区域模型见图1。

图1 管道模型Fig.1 Pipe model

采用四面体与六面体相结合的网格划法对计算区域进行网格划分。变径管划分40 680个网格单元，43 584 个 节 点；增 输 器 划 分226 426 个 网 格 单元，158 868个节点。

2.2 边界条件

选择耦合式求解器，隐式计算方式，非定常流动，二阶迎风格式。出入口边界条件：入口压强为1 MPa，入口体积含水率为0.005，出口压力为0.8 MPa。

3 数值模拟结果

3.1 出口质量流量及压力

管道出口处质量流量与总压力见表1。由表1可知增输器在出口处质量流量与总压均增加；稳定流量14.1kg／s，稳定总压0.95 MPa。

表1 出口质量流量及压力Table 1 Flow rate and pressure of export mass

3.2 轴向切面流场图

图2、3为轴向切面流场图。由压强云图可知，变径管在变径处压强变化较大且在突扩处存在小范围低压区，下游压强变化不明显；增输器在上喷口及腔室内压强恒定，下喷口处压强由0.71 MPa上升至0.795MPa，变化明显。由速度云图可知，在变径处动压由1 040降低至760，速度损失26.9%；天然气 流 经 增 输 器 后 动 压 由3 0 0减 小 至2 6 0，损 失 率13.3%，腔室碰撞壁处存在环流区。由湍动能云图可知，天然气流经增输器时湍动能变化较大。

图2 变径管轴向切面流场图Fig.2 Axial plane flow of reducer tube

3.3 径向切面流场图

图4为增输器X＝0.2径向切面流场图。由图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。压强从内到外由0.798 MPa增至0.807 MPa；速度由760减至660；湍动能由6 600减至3 600。

图3 增输器轴向切面流场图Fig.3 Axial plane flow increasing device

图5为增输器X＝0径向切面流场。由图5可知，在0～0.05圆形区域内压强呈同心圆分布，由0.707 4 MPa减至0.705 9 MPa，在圆范围外压强变 化不规则；速度在0～0.05内为定值300m／s，0.05～0.075内由300m／s剧降至60m／s，在腔室角处存在－80m／s的逆流区；图5可知增输器湍动能在0～0.05内为定值800，0.05～0.075内由800增至3 200再减至800。

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

图5 增输器X＝0径向切面流场图Fig.5 Increasing device X＝0radial section flow chart

4 结果分析

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，径向压力分量引起振荡腔壁面振动。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；出口速度明显降低，振荡腔室内压力波动很大，从而达到增加输气量的目的。根据输气量的计算公式可知输出压力减小时输气量增加。

5 结论

（1）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。

（2）在相同工况条件下，天然气经增输器后压力降低，管道输气量显著增加。

［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.