含煤粉的煤层气T型管道颗粒分布特性

巩 孟，张 琰，王 玥，李 博，殷 慧（中国石油大学（北京），北京 102249）



含煤粉的煤层气T型管道颗粒分布特性

巩 孟，张 琰，王 玥，李 博，殷 慧
（中国石油大学（北京），北京 102249）

摘要：煤层气开采过程中，煤粉不可避免地进入集输管网，进而形成气固两相流动。基于湍流模型，采用FLUENT模拟软件计算广泛应用于煤层气集输管网的水平T型弯管的流场，得到气体和煤粉的速度场分布及各出口煤粉浓度，并分析管道分支处煤粉在气流扰动下的浓度分布，结果表明：气流经过支管后，部分煤粉滞留于管壁，支管两侧管壁煤粉浓度相差较大，各出口煤粉排出量也存在差异。

关键词：煤层气；气固两相流；T型管道；流场；数值模拟

近年来，煤层气作为一种非常规天然气资源，愈来愈受到各国的关注［1］。据统计，我国煤层气储量居世界第3位，其储量与天然气相当［2，3］。由于煤层气开采会破坏煤岩的完整性，使煤粉不可避免地混入煤层气中，当煤粉粒径小于1 mm时，可随气体进入地面集输管网［4］，形成气固两相流动。当含煤粉的煤层气流经管网中的T型弯管时，流动产生剧烈变化，气固两相流场和煤粉浓度等变化较大，可能导致煤粉聚集滞留管内，造成事故的发生。为此，采用数值计算方法，探讨水平T型管道的气固两相流动特性。

1　模型建立

1.1物理模型

以水平放置的内径为249 mm的T型管道为算例，支管与干管等径，具体尺寸及混合物流向如图1所示，气相假设全是甲烷，煤粉体积分数为5×10-5。

图1　物理模型Fig.1 Physical model

1.2数学模型

流动计算控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，含煤粉的煤层气流场计算不涉及热力问题，故不引入能量方程。煤层气在T型管道的流动属于湍流，湍流模型采用k-ε方程。湍流脉动动能方程：

湍流动能耗散方程：

式中：GK为平均速度梯度引起的湍动能K的产生项；Gb为浮力引起的湍动能K的产生项；YM为可压缩湍流中脉动扩张贡献；μt为湍流粘度，Pa · s；ui、uj为时均速度，m/s；K为湍流动能，J；ε为湍流耗散率；ρ为流体密度，kg/m3；σK和 σε分别为K方程和ε方程的普朗特数；G1ε、G2ε、G3ε和Gμ为经验常数［5］。

假设管道中煤粉颗粒为球状，颗粒直径为 0.1 mm，忽略颗粒间相互作用［6］；入口边界条件为速度入口，气固两相均匀流入。

2　数值模拟和结果分析

2.1速度场分析

以入口速度5 m/s为例模拟计算，含煤粉的煤层气流经分支处，由于流向改变，部分流体沿支管右壁流入，流道收缩，流速增大。流动趋于稳定后，支管左侧充满流体，但流速较小，气体的速度等值线如图2所示。由图可知，为整个流场的最高速度位于支管右侧，流速达到7.4 m/s，支管左侧流速最小；随着流动距离的增加，支管两侧速度互相靠拢，逐渐趋于一致。干管气体流经支管后，气体流速下降且形成漩涡流，此外，由于顺流与单独流的作用，支管与干管交接处出现两个漩涡。

图2　气体速度等值线分布图Fig.2 Gas velocity contour distribution map

煤粉在支管入口处流动复杂，其速度场与气体相似，如图3所示。

2.2分支处煤粉浓度分析

气固两相流经过支管后，流速发生变化，流动受到严重扰动且出现漩涡流，导致气固两相分离，部分煤粉滞留于管道内，煤粉的浓度分布如图4所示。支管右侧管壁附近为煤粉高浓度区，而支管左侧煤粉浓度极低，出现“无煤粉区”。同时，由于干管后端流速减小，管壁处煤粉沉积进而产生高浓度区。

图3　煤粉速度等值线分布图Fig.3 Pulverized coal velocity contour distribution map

图4　煤粉浓度分布图Fig.4 Coal dust concentration distribution map

2.3各出口煤粉浓度分析

图5　各出口煤粉浓度沿径向分布图Fig.5 Distribution map of coal dust concentration along radial direction in each outlet

T型管中两相流动稳定后，虽然管中滞留部分煤粉，但高浓度区的煤粉仍保持流动状态，进、出口煤粉质量守恒。以入口速度5 m/s为例，出口2流出的煤粉平均体积分数是 ，占总煤粉量的51.4%，出口1流出煤粉占总量的48.6%，可见出口2流出的煤粉量略多。各出口煤粉浓度沿径向分布曲线如图 5所示，出口 1煤粉浓度沿径向基本保持稳定；由于支管左侧管壁附近为“无煤粉区”，右侧管壁附近为高浓度区，故出口2煤粉浓度沿径向呈现由0递增的过程，且靠近右侧管壁时煤粉浓度剧增。

3　结论及建议

3.1结 论

（1）整个流场的最大速度位于支管右侧，最小速度位于支管左侧，沿流动方向支管两侧的速度逐渐趋于一致；T型管道分支处存在多个漩涡流。

（2）气固两相流经过支管后，煤粉浓度发生变化，支管右侧管壁附近为煤粉高浓度区，而支管左侧煤粉浓度极低，出现“无煤粉区”。同时，由于干管后端流速减小，管壁处煤粉沉积进而也产生高浓度区。

（3）T型管中两相流动稳定后，出口2流出的煤粉量略多于出口1。出口1煤粉浓度沿径向基本保持稳定；由于支管左侧管壁附近为“无煤粉区”，右侧管壁附近为高浓度区，故出口2煤粉浓度沿径向呈现由0递增的过程，且靠近右侧管壁时煤粉浓度剧增。

3.2建 议

采用的气固两相流模型中不含水，高浓度区的煤粉能顺利流出，而在集输管网至集气站的途中由于温度和压力的变化，很可能析出冷凝水，使煤粉粘结于管壁处，存在腐蚀和堵塞管道的风险。因此，对于煤层气流动变化剧烈的位置，如弯管、三通等，应当重点监护，防止事故发生。

参考文献：

［1］钱伯章，朱建芳.世界非常规天然气资源和利用进展［J］.天然气与石油，2007（02）∶28-32+62.

［2］廖永远，罗东坤.非常规天然气资源开发的地面工程问题［J］.油气田地面工程，2012（11）∶1-3.

［3］石艺.中国石化煤层气勘探获重要进展［J］.石油钻采工艺，2010（04）∶90.

［4］王荧光，裴红，刘文伟，李研，裴巧卉.低压、低产煤层气田井口集输工艺技术［J］.石油工程建设，2010（06）∶1-6.

［5］陶文铨，编著.数值传热学［M］.西安∶西安交通大学出版社，2001.

［6］周军，李晓平，林金贤，林棋，娄晨，邓涛，宫敬.基于含煤粉的煤层气管道管流数值模拟与分析［J］.油气储运，2014（04）∶395-400.

Numerical Simulation and Analysis of Pipe Flow in CBM T-Pipeline With Pulverized Coal

GONG Meng，ZHANG Yan，WANG Yue，LI Bo，YIN Hui
（China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China）

Abstract：During the development of coal bed methane （CBM），pulverized coal inevitably enters into the gathering pipe network with gas flow，which can result in gas-solid two-phase flow in the pipe.In order to research its motion law in the T-pipeline，based on the turbulence model，Fluent was adopted to simulate its flow field.The velocity fields of gas and pulverized coal and volume fraction of pulverized coal in all calculation area were obtained.The analysis results show that the maximum speed of two-phase flow is located in the right side of the branch，and gas flows faster than pulverized coal.A bit of pulverized coal is stranded in the pipeline because of the flow disturbance.Besides，the concentrations of pulverized coal in both sides of the branch are greatly different，and the discharge of pulverized coal in every exit is also slightly different.

Key words：CBM；Gas-solid two-phase flow；T-pipeline；Flow field；Numerical simulation

中图分类号：TE 357

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）01-0112-03

收稿日期：2015-09-20

作者简介：巩孟（1990-），男，陕西省咸阳市人，在读硕士研究生，研究方向：油气长输管道和油气地面工程。E-mail：gongmengmonty@126.com。