婁春景

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

基于CFD的緩沖罐粉料逸出研究

婁春景

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

該文利用CFD技術(shù)對鉆井平臺散料系統(tǒng)緩沖罐內(nèi)的氣固二相流流場進(jìn)行分析，研究了水泥顆粒粒徑和氣流量對緩沖罐粉料逸出的影響。提出緩沖罐效率的概念，并對散料系統(tǒng)實(shí)際輸送量進(jìn)行計(jì)算，為散料系統(tǒng)的自主研發(fā)提供技術(shù)支持。

氣固二相流； 粉塵污染； 氣力輸送

0 引言

散料輸送系統(tǒng)工作時，利用高壓氣體將散料(水泥、重晶石等)流態(tài)化并帶出儲存罐，沿輸送管道運(yùn)抵緩沖罐后，部分散料隨氣流從排氣口逸出，其余的散料沉積在緩沖罐內(nèi)經(jīng)出料口供應(yīng)給用戶，實(shí)際用戶端的散料供應(yīng)量應(yīng)當(dāng)是管道輸送量減去排氣口逸出量。以往的散料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中主要關(guān)注管道輸送能力卻忽略了散料逸出問題。實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，排氣口逸出的散料不僅影響用戶端的散料供給，也對環(huán)境造成污染。結(jié)合某海工平臺的散料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用雙流體模型對緩沖罐散料逸出現(xiàn)象進(jìn)行研究，為散料輸送系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)[1]。

1 氣固二相流模型選擇

散料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是掌握散料顆粒隨氣流運(yùn)動的規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)與數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于研究氣體—固體顆粒二相流，其模型主要分為離散相模型(discrete particle model, DPM)和雙流體模型(two fluid model, TFM)兩種。

離散相模型是以流體為連續(xù)相，固體顆粒為離散相，分別使用歐拉和拉格朗日坐標(biāo)描述流體與固體顆粒的運(yùn)動。通過建立單個顆粒的運(yùn)動方程，與連續(xù)相方程進(jìn)行耦合求解。該方法理論上可以描述任何顆粒流問題，然而由于計(jì)算能力的限制，該方法目前能處理的顆粒數(shù)量與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)相差較大[2]。

雙流體模型將離散的顆粒相看做一種假想的連續(xù)介質(zhì)，即“擬流體”假設(shè)。該假設(shè)使顆粒相具備了與連續(xù)相相似的流體力學(xué)特性，能夠應(yīng)用流體的控制方程描述。Gidaspow在1986年首次提出雙流體模型，并成功得預(yù)報(bào)了流化床的力學(xué)行為。

離散相模型和雙流體模型分別從微觀和宏觀角度對氣固二相流進(jìn)行描述，兩種模型的主要特點(diǎn)見表1。

表1 氣固二相流模型特點(diǎn)

2 理論基礎(chǔ)

該文所研究的是散料系統(tǒng)緩沖罐內(nèi)氣固二相流的特點(diǎn)，涉及到水泥粉的沉降與堆積過程。當(dāng)發(fā)生水泥粉沉降和堆積后，緩沖罐內(nèi)流場局部的氣固相體積比預(yù)計(jì)最高可達(dá)60%，不能使用離散相模型，故選用雙流體模型。

(1) 雙流體模型的控制方程。

連續(xù)相：

顆粒相：

式中：ε為各相的體積分?jǐn)?shù)；ρ為各相密度；U為速度；t為時間；x為位移；下標(biāo)i、j代表直角空間坐標(biāo)方向；下標(biāo)g代表連續(xù)相；下標(biāo)s代表顆粒相。

氣固二相流中，連續(xù)相與顆粒相的體積分?jǐn)?shù)和為1，即

(2) N-S方程。

連續(xù)相：

顆粒相：

N-S方程右端還應(yīng)包括升力、附加質(zhì)量等體積力，該文所研究的水泥緩沖罐氣固二相流問題中，上述體積力是高階小量，忽略不計(jì)。

3 緩沖罐內(nèi)流場建模

該文以某自升式平臺散料系統(tǒng)的緩沖罐為研究對象。罐體直徑為2.1 m，高1.9 m，上半部分為柱形，下半部分為錐形，罐內(nèi)流場如圖1所示。氣體攜水泥粉料從輸料管進(jìn)入緩沖罐，經(jīng)過入口正上方的罩帽后減速，大部分水泥粉料沉降在緩沖罐底部，氣體帶著少量水泥粉料從排氣管離開緩沖罐。

圖1 緩沖罐內(nèi)流場

對緩沖罐內(nèi)流場進(jìn)行適度簡化后建模，采用四面體網(wǎng)格對流域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中輸料管、排氣管和罩帽周圍局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，并帶有邊界層，如圖2、圖3所示。

圖2 緩沖罐內(nèi)流場網(wǎng)格切面

圖3 輸料管與罩帽周圍局部網(wǎng)格

該文研究水泥粉料在緩沖罐內(nèi)的沉降和逸出，故罐內(nèi)流場為非定常流。采用雙流體模型模擬緩沖罐內(nèi)的流動，氣體為連續(xù)相，水泥粉料為顆粒相。排氣口為壓力出口條件，入口條件選擇質(zhì)量流入口條件。罐壁和罩帽為壁面條件，表面粗糙高度為0.2 mm。

4 粉料粒徑對緩沖罐效率的影響

顆粒相的粒徑d對于氣固二相流流場分布有重要的影響。根據(jù)過篩結(jié)果，水泥粉料大部分的顆粒粒徑在2 μm～50 μm之間，普通水泥的中位粒徑為20 μm 左右，海洋工程所用的油井水泥中位粒徑值更小[3]。

為研究水泥顆粒粒徑對緩沖罐粉料逸出的影響，首先定義ηst為緩沖罐效率，即緩沖罐內(nèi)實(shí)際留下散料的比重。

式中：qex為排氣端排出的粉料流量；qmc為輸料管的粉料輸送能力，則散料系統(tǒng)實(shí)際輸送量qst為管道輸送能力乘以緩沖罐效率，即qst=ηstqmc。

其次，分別定義粒徑d=10 μm和d=50 μm兩種水泥粉料，考察相同工況下緩沖罐內(nèi)氣固二相流流場的CFD分析結(jié)果。根據(jù)散料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)信息，緩沖罐的設(shè)計(jì)工況為：輸料管氣體流量qma=0.326 3 kg/s，水泥粉料流量qms=28.3 kg/s，排氣管壓強(qiáng)為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

CFD分析結(jié)果顯示，水泥粉料粒徑對緩沖罐效率ηst有明顯影響。圖4為設(shè)計(jì)工況下罐內(nèi)d=10 μm的水泥粉料濃度云圖，由圖4可知，大量的水泥粉料被氣流吹起并從排氣口端帶出。圖5為設(shè)計(jì)工況下罐內(nèi)d=50 μm的水泥粉料濃度云圖，由圖5可知，大部分水泥粉料沉積在罐底。

圖4 設(shè)計(jì)工況下罐內(nèi)10 μm 水泥粉料濃度云圖

圖5 設(shè)計(jì)工況下罐內(nèi)50 μm水泥粉料濃度云圖

5 氣流量對緩沖罐效率以及散料系統(tǒng)實(shí)際輸送量的影響

在第4節(jié)研究工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察散料系統(tǒng)各工況不同氣體體積流量qva下，緩沖罐效率ηst以及散料系統(tǒng)各工況的實(shí)際輸送量qst。

選取四種水泥粉料樣本，樣本的粒徑呈對數(shù)正態(tài)分布，平均粒徑分別為dA=20 μm，dB=25 μm，dC=35 μm，dD=45 μm，粒徑分布曲線如圖6所示。

圖6 樣本粒徑分布曲線

按照設(shè)計(jì)信息，散料系統(tǒng)各工況的氣體體積流量和水泥粉料流量見表2。

表2 散料系統(tǒng)工況

利用CFD手段對各工況下緩沖罐的效率進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，氣流量qva越大，緩沖罐效率也越低。圖7為各氣流量下緩沖罐效率曲線。

圖7 各工況緩沖罐效率曲線

結(jié)合表2及圖7，繪制出散料系統(tǒng)的實(shí)際輸送量曲線，如圖8所示?？梢钥闯觯杭?xì)粒徑樣本(A與B)雖然易于流化，但大量散料被氣流從排氣端帶走導(dǎo)致實(shí)際輸送量較少。粗粒徑樣本(C與D)雖然緩沖罐效率高，但同時也面臨流化難、易堵塞管道等問題，鉆井平臺一般不選用。

實(shí)際工程中，鉆井平臺所用油井水泥粉末較細(xì)，散料系統(tǒng)的實(shí)際輸送能力參考圖8樣本A和樣本B的曲線。從圖8可以看出：該平臺散料系統(tǒng)的氣體體積流量建議控制在17 m3/min ～22 m3/min，該工況下系統(tǒng)實(shí)際輸送能力最大。如果增大氣流量，雖然沿管道傳輸?shù)乃喾哿狭髁吭黾?，但從緩沖罐逸出的量也在增加，實(shí)際供應(yīng)給用戶端的輸送量反而減少，并且排氣中的粉塵污染會加劇。該結(jié)論與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)相符，可以為散料系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)研發(fā)提供技術(shù)支持。

圖8 用戶端實(shí)際輸送量曲線

6 結(jié)論

該文以某自升式平臺散料系統(tǒng)的緩沖罐為研究對象，對罐內(nèi)氣固二相流流場進(jìn)行分析，考察了水泥粉料粒徑、氣流量對緩沖罐內(nèi)流場的影響，特別關(guān)注了散料系統(tǒng)輸送的水泥粉料從排氣管逸出的問題。引入緩沖罐效率的概念，并對散料系統(tǒng)各工況的實(shí)際輸送能力進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該自升式平臺散料系統(tǒng)存在最佳的氣流量區(qū)間(17 m3/min～22 m3/min)，進(jìn)一步加大氣流量并不能提升實(shí)際輸送能力，反而會加劇排氣粉塵污染。

[1] 趙忠杰, 趙守明.海洋石油工程船的粉狀物料氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國海洋平臺, 2004, 19(4):35-37.

[2] 李東耀.基于Fluent軟件的流化床的氣固兩相流模型研究[D].重慶：重慶大學(xué), 2009.

[3] 王艷麗.水泥顆粒特征分布參數(shù)計(jì)算方法探討[C].2012國內(nèi)外水泥粉磨新技術(shù)交流大會暨展覽會論文集, 2012.

Research of Particle Escaping of Bulk Cement Surge Tank Based on CFD

LOU Chun-jing

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd, Shanghai 200137, China)

In this paper, the gas-solid two-phase flow in the buffer tank of bulk handling system on drilling platform is analyzed by applying CFD. The effect of cement particle size and gas flow rate on the buffer tank powder escaping is studied. The concept of buffer tank efficiency is presented. And the actual output of bulk handling system is calculated. This research provides technical support for independent development of bulk handling systems.

gas-solid two-phase flow； dust pollution； pneumatic transportation

1001-4500(2016)06-0068-06

2015-12-05

婁春景(1975-)，男，高級工程師。

TE93

A