楊樹人，范恩慶，龐博學(xué)，張　瑩，崔　悅

(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318)

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注汽鍋爐在線吹灰裝置內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸過程模擬分析

楊樹人，范恩慶，龐博學(xué)，張瑩，崔悅

(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318)

摘要：注汽鍋爐脈動(dòng)在線吹灰裝置內(nèi)可燃?xì)怏w的爆炸研究對油田的安全運(yùn)行極為重要。建立了基于FLUENT軟件的總能量RNG k-ε湍流模型與PDF燃燒模型，以有限體積法求解爆炸流動(dòng)及反應(yīng)控制方程，對二維吹灰裝置中不同能量、不同點(diǎn)火位置條件下的可燃?xì)怏w爆炸過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲得了可燃?xì)怏w爆炸溫度場、速度場及壓力場。模擬結(jié)果表明，點(diǎn)火能量越大，爆炸進(jìn)行的越劇烈，壓力峰值與速度峰值就越大；中心點(diǎn)火與底端點(diǎn)火只是初始時(shí)反應(yīng)劇烈程度不同，吹灰裝置最終輸出壓力能達(dá)到5～6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度約為2 600 ℃，在壓力波與高溫作用下能夠?qū)㈠仩t內(nèi)積灰碳化、震碎和掉落。所得結(jié)論為油田設(shè)計(jì)注汽鍋爐在線脈動(dòng)吹灰裝置及安全運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：注汽鍋爐；數(shù)值模擬；爆炸；安全

目前，可燃?xì)怏w沒有按照爆炸時(shí)產(chǎn)生的危害分類，只是根據(jù)其反應(yīng)活性分成3類。反應(yīng)活性由高到低分別為：氫氣、乙炔氣和苯氣體→乙烷氣體、丙烷氣體、乙烯氣體和丁烷氣體→氨氣、甲烷氣體。根據(jù)遼河油田鍋爐的現(xiàn)狀，此次裝置中選用活性較高的乙炔，并與空氣混合，研究其在裝置中的爆炸機(jī)理。對于封閉容器內(nèi)爆炸的研究一般有試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等2種方法。試驗(yàn)研究是利用理論模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置和流程，直觀地觀察現(xiàn)象。目前，爆炸試驗(yàn)研究僅針對小型容器，由于受到現(xiàn)有的試驗(yàn)技術(shù)和場地等客觀條件的影響，還有一些流場的詳細(xì)分布情況觀察和測試不到，以及經(jīng)費(fèi)的限制，大型密閉容器內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸的試驗(yàn)實(shí)施起來比較困難[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算燃燒學(xué)等理論的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究燃燒、爆炸等安全事故過程的重要手段[2]。鑒于試驗(yàn)研究的限制與危險(xiǎn)，本文通過FLUENT軟件對二維吹灰裝置中不同能量、不同點(diǎn)火位置條件下的可燃?xì)怏w爆炸過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1數(shù)學(xué)模型

可燃?xì)怏w的爆炸過程實(shí)質(zhì)上是一種帶有壓力波的高湍流度、高反應(yīng)速率的燃燒過程，還具有爆炸過程所特有的高反應(yīng)速率特性以及火焰陣面和壓力波的傳播、火焰與壓力波的耦合正反饋機(jī)制，這使得瓦斯爆炸過程的湍流燃燒爆炸理論模型研究十分復(fù)雜。為保證精度與計(jì)算速度，本研究采用RNGk-ε湍流模型與PDF燃燒模型。

1.1基本假設(shè)

假設(shè)此過程為單向不可逆的化學(xué)反應(yīng)；裝置內(nèi)乙炔與空氣均勻混合；絕熱過程；壁面無滑移、無滲透。

1.2基本方程

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

組分方程：

k方程：

ε方程：

1.3乙炔與空氣的燃燒模型

基于上述假設(shè)，當(dāng)乙炔與空氣按合適的比例混合后，點(diǎn)火爆燃的反應(yīng)式為：

2C2H2+5O2=4CO2+2H2O+Q

從反應(yīng)式中可以看出，乙炔爆燃后生成二氧化碳和水，并釋放熱能。

PDF燃燒模型可以把燃燒化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為混合分?jǐn)?shù)，使燃燒問題得以簡化，然后通過解1個(gè)或2個(gè)守恒的輸運(yùn)方程，建立一個(gè)基于混合分?jǐn)?shù)的查詢表，給定流域中一點(diǎn)的時(shí)均值和脈動(dòng)時(shí)均值，查表可以獲得該點(diǎn)處的時(shí)均質(zhì)量分?jǐn)?shù)、時(shí)均平均密度和時(shí)均平均溫度等量。

2物理模型

模擬燃?xì)獯祷已b置的二維封閉空間，發(fā)生器直徑為219 mm，噴嘴直徑為108 mm，長度為500 mm，封閉空間內(nèi)充滿乙炔、空氣的混合物。模型簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　模型簡化結(jié)構(gòu)

2.1邊界條件

由于模擬的是密閉空間內(nèi)的乙炔和空氣爆炸發(fā)生過程，邊界都設(shè)為壁面，并假設(shè)此過程為絕熱過程，壁面無滑移、無滲透，可以采用非平衡壁面法處理。

2.2初始條件

初始條件如下：壓力為P=1.01×105Pa；速度為Vx=0，Vy=0；溫度T=298 K；過程變量C=0；混合分?jǐn)?shù)f=0.070 4。

2.3數(shù)值計(jì)算方法

采用有限元體積法求解，為保證黏性通量的計(jì)算精度，利用中心差分格式處理控制方程的黏性通量，中心差分格式為：

無黏通量的處理較為復(fù)雜,利用矢通分裂法[3]進(jìn)行處理[4]：

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1不同點(diǎn)火能量對反應(yīng)的影響

3.1.1火焰沿中心軸線傳播速度規(guī)律

根據(jù)對中心軸線的監(jiān)控，得到不同能量下點(diǎn)火時(shí)的中心速度隨時(shí)間的變化規(guī)律(見圖2)。

圖2　不同能量下點(diǎn)火時(shí)的中心速度隨時(shí)間的變化曲線

由圖2可知，火焰點(diǎn)燃初始時(shí)刻，火焰速度逐漸增加，且增加梯度越來越大，這是由于火焰點(diǎn)燃的初始時(shí)刻，火焰表面的不規(guī)則性增大了其與未反應(yīng)化學(xué)物質(zhì)的接觸，增大了燃燒表面，同時(shí)增大了火焰的燃燒速度；但火焰不會(huì)一直加速，當(dāng)達(dá)到峰值后會(huì)減慢。這是因?yàn)椋?)火焰在傳播過程中會(huì)受到阻力，減少其反應(yīng)能量；2)由于隨著反應(yīng)的進(jìn)行，吹灰裝置內(nèi)可燃?xì)怏w的消耗也會(huì)使其速度降低。圖2中還可以觀察到點(diǎn)火能量越高，速度達(dá)到的峰值越大，出口速度也越大。主要是因?yàn)辄c(diǎn)火能量越大，化學(xué)反應(yīng)速度越快，從而提高了火焰的燃燒速度。

3.1.2發(fā)生器內(nèi)混合氣體溫度分布

根據(jù)對中心軸線的監(jiān)控，得到不同能量下點(diǎn)火時(shí)的中心溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律(見圖3)。

圖3　不同能量下點(diǎn)火時(shí)的中心溫度隨時(shí)間的變化曲線

由圖3可知，在發(fā)生器內(nèi)點(diǎn)火后，爆炸會(huì)產(chǎn)生高溫高壓氣體，火焰在壓力波及壁面的作用下拉伸、變形，致使火焰溫度迅速上升，并很快達(dá)到峰值。由于假設(shè)吹灰裝置內(nèi)反應(yīng)時(shí)絕熱過程，所以溫度不會(huì)很快降下來。點(diǎn)火能量大的裝置，火焰會(huì)最先達(dá)到峰值，但是由圖2可以看出，點(diǎn)火能量大小對最終溫度的影響不大。

3.2不同點(diǎn)火位置對反應(yīng)的影響

3.2.1吹灰裝置內(nèi)混合氣體溫度分布

根據(jù)不同點(diǎn)火位置的模擬得到溫度云圖(見圖4)。在整個(gè)過程中，爆炸場分為3個(gè)反應(yīng)區(qū)：燃燒區(qū)、傳播區(qū)和待反應(yīng)區(qū)。

圖4　不同點(diǎn)火位置的溫度云圖

由圖4可以看出，不同點(diǎn)火位置、相同時(shí)刻的火焰面大小不同。這是由于在中心位置點(diǎn)火后，火焰受到裝置底面的約束作用，使得軸向氣流加快，從而加快了火焰?zhèn)鞑?；在壁面頂端或底端點(diǎn)火后，火焰會(huì)觸及側(cè)壁，火焰點(diǎn)燃后，會(huì)形成前驅(qū)沖擊波，這種前驅(qū)沖擊波到達(dá)壁面后會(huì)反射回來一部分，降低火焰的傳播速度。因此，初始時(shí)刻底端點(diǎn)火的火焰面會(huì)相對比較?。坏舱怯捎谑艿奖诿娴臄_動(dòng)作用較強(qiáng)，使火焰面附近產(chǎn)生了更高的湍動(dòng)能和燃燒速率。底面點(diǎn)火，初始時(shí)刻火焰面積大，很快就會(huì)觸及壁面，由于受到壁面的擾動(dòng)作用，產(chǎn)生湍流，火焰在湍流作用下被拉伸、變形，加快了附近的化學(xué)反應(yīng)速率，管道壁面處火焰燃燒速度大于中心軸的流速。出口溫度能達(dá)到2 600 ℃，足以使積灰層碳化、軟化。中心軸線的溫度分布曲線如圖5所示。

圖5　中心軸線的溫度分布曲線

由圖5可知，底面點(diǎn)火由于點(diǎn)火面積大，火焰面波及范圍大，所以點(diǎn)火后火焰溫度上升梯度最大，其次是左上端點(diǎn)火，中心點(diǎn)火火焰在傳波過程中最為平穩(wěn)。這是由于無論底面點(diǎn)火還是左上端點(diǎn)火，初始時(shí)刻都會(huì)受到吹灰裝置側(cè)壁的影響，使火焰拉伸、變形，增大火焰面及壁面的擾動(dòng)使裝置內(nèi)流場從層流變?yōu)橥牧?，從而加速了火焰的傳播，使溫度有較大的提升。

3.2.2發(fā)生器內(nèi)混合氣體壓力分布

可燃?xì)怏w爆炸時(shí)，能量不會(huì)瞬間被釋放，火焰前方出現(xiàn)比火焰?zhèn)鞑ジ斓膲毫Σ?，在沖擊波的推動(dòng)下，火焰獲得加速。壓力云圖如圖6所示，裝置內(nèi)壓力最大可以達(dá)到10個(gè)大氣壓。

圖6　壓力云圖

3.2.3發(fā)生器內(nèi)混合氣體速度分布

在點(diǎn)火位置點(diǎn)火后，火焰周圍溫度首先迅速上升，緩慢的向四周傳播。初始時(shí)，火焰?zhèn)鞑シ绞綖閷恿?，?dāng)火焰蔓延到壁面時(shí)，由于受到壁面的阻礙和管段的約束作用，火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鱗5]，火焰由于受到壁面以及管端的擾動(dòng)作用，使火焰面增大，繼而使更多的可燃?xì)怏w參與反應(yīng)，加快爆燃速度，壓力增大；形成的壓力波又推動(dòng)火焰前方氣體的流動(dòng)，導(dǎo)致了火焰面附近更高的湍流動(dòng)能和燃燒速率，在這種正反饋機(jī)制作用下，火焰會(huì)加速傳播[6]。不同點(diǎn)火位置的氣體速度云圖如圖7所示。

圖7　不同點(diǎn)火位置的氣體速度云圖

圖7表明，中心點(diǎn)火火焰的最大速度集中在中心軸線上，在壓力波的層層推動(dòng)下有規(guī)律地向前推進(jìn)，底端點(diǎn)火由于點(diǎn)燃時(shí)刻就受到側(cè)壁的擾動(dòng)作用，最大速度明顯大于中心點(diǎn)火。具體的速度距離曲線圖如圖8所示。

圖8　速度距離曲線圖

圖8表明，無論點(diǎn)火位置確定何處，速度都會(huì)有一個(gè)峰值，最后下降，這是因?yàn)檠b置內(nèi)混合氣體被點(diǎn)燃后，可燃?xì)怏w溫度升高發(fā)生膨脹運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，可燃?xì)怏w獲得一定流速，然而流速并不是很均勻，最大流速集中在中心軸上，說明中心軸線處的流體不規(guī)則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了湍流產(chǎn)生，使流速增大。雖然湍流會(huì)增大流體的擾動(dòng)，使流速有一個(gè)很大的提升，但是這種擾動(dòng)并不會(huì)一直使流速增加，這是由于火焰在傳播過程中必然要克服摩擦阻力而消耗一定能量，故火焰不能一直加速。

4結(jié)語

通過對吹灰裝置內(nèi)乙炔、空氣混合氣體的不同點(diǎn)火位置、點(diǎn)火能量的模擬可知：點(diǎn)火能量越大，爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力峰值越大，且速度也越大；不同的點(diǎn)火位置對爆炸的反應(yīng)的劇烈程度不同，底面點(diǎn)火與左上端點(diǎn)火產(chǎn)生的壓力、溫度和速度都比中心點(diǎn)火時(shí)的大很多。基于在線脈動(dòng)吹灰裝置在油田應(yīng)用，從安全考慮應(yīng)盡量選取反應(yīng)進(jìn)行比較平穩(wěn)的方案實(shí)施應(yīng)用。所得結(jié)論為油田設(shè)計(jì)注汽鍋爐在線脈動(dòng)吹灰裝置及安全運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

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責(zé)任編輯鄭練

Simulation of Combustible Gas Explosion Soot Blowers Steam Injection Line Analysis

YANG Shuren, FAN Enqing, PANG Boxue, ZHANG Ying, CUI Yue

(Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract：The explosion study of combustible gas in the injection boiler soot blower is extremely important for the safe operation of the field. Establish the FLUENT model of RNG k-ε turbulence and PDF combustion. Solve the equations of explosion flow and reaction in the method of finite volume. Simulating and analyzing combustible gas explosion under different conditions ignition position and energy in two-dimensional soot blower to get the combustible gas explosion temperature field, velocity field and pressure field. Simulation results showed that: the larger ignition energy, the more violent explosions carried out, the greater the peak of velocity and pressure of flame propagation. The difference between the bottom and center ignition is only in the initial intensity of the reaction, the soot blower output pressure to reach final 5-6 standard atmospheric pressure with temperature of about 2 600 ℃.Under the pressure wave and high temperature,the boiler fouling can be carbonized, shattered and falling. The conclusions of oilfield design and optimization of steam injection line pulsating soot blower provide a theoretical basis and safe operation.

Key words:steam injection, numerical simulation, explosion, security

收稿日期：2015-08-01

通信作者：范恩慶

作者簡介：楊樹人(1963-)，男，教授，博士，主要從事非牛頓流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)和多相流體力學(xué)等方面的研究。

中圖分類號：TE 904

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A