邵 華，雷 巖，翟楠希，董新利

(北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100035)

為了保證能源安全和滿足國內用戶需要，國家正抓緊實施天然氣引進工程，包括從我國東北部、西北部引進俄羅斯和中亞氣，從西南部引進緬甸氣，以及沿海地區(qū)引進LNG。由于不同地區(qū)的天然氣熱值存在很大的差異，為了滿足天然氣燃燒熱值標準和控制精確的燃燒，人們通常將多種燃氣摻混，從而達到對天然氣熱值的調控[1]。

我國未來將形成以西氣東輸、陜-京二線、忠-武線和進口天然氣管道、沿海天然氣管道為主線的縱橫交錯、橫跨多個目標市場區(qū)域的管網(wǎng)系統(tǒng)，資源多元化、供應網(wǎng)絡化、調度靈活化的供氣格局將逐漸形成[2]。由于天然氣資源的多元化，國產天然氣、進口天然氣、引進LNG的組成及燃燒特性各不相同，當一種燃氣置換另一種燃氣時，首先要保證燃具所產生的熱負荷在燃氣置換前后不能發(fā)生大的改變[3-4]。因此，對于保證燃燒熱值和穩(wěn)定燃燒，天然氣進行摻混后的均勻效果顯得尤為重要。

祝博偉[4]采用LPG改質氣與LPG進行摻混，然后用于天然氣燃具進行試驗。結果顯示：燃具在使用接近其基準氣低華白數(shù)的氣源(等華白數(shù)氣)時整體性能最好，用LPG改質氣摻混LPG生產替代天然氣作為應急氣源是可行的。李建鯤[5]以焦爐氣做為城市主氣源的燃氣輸配系統(tǒng)在氣源不足的情況下，采用發(fā)生爐、水煤氣爐、反火爐生產低熱值煤制氣，并利用天然氣增熱后摻混為補充氣源的技術經濟進行了探討。結果表明：三氣摻混時，水煤氣與天然氣比例宜控制在75:25～70:30之間，摻入量應在9×104N·m3/d以下，摻入量低于5×104N·m3/d時，可適當降低天然氣摻入量(約占增熱水煤氣總量的25%)，摻入量大時(6×104～9×104N·m3/d)，天然氣摻入量占增熱水煤氣量的30%。劉俊德[6]為了提高燃燒控制精度，要求對燃料天然氣熱值進行精確控制。通過向天然氣中摻混空氣調整天然氣熱值，采用前饋控制和串級控制調整混合氣熱值，混合氣熱值可控制在( 34.6 ±0.1) MJ/m3。郭峰等[7-10]研究不同熱值的天然氣的互換性，介紹了天然氣熱值的調整方法，并結合典型工程，采用 HYSYS 模擬軟件給出了摻混空氣法進行熱值調整的工藝流程和計算結果。此外，黃祖培等[11-15]還從配置方式、工藝流程、調節(jié)原理和設置氣態(tài)的天然氣或空氣混合裝置等方面對摻混法工藝流程和控制方案進行了研究分析，闡明了摻混法在LNG熱值調整中應用的可行性。

通過調研發(fā)現(xiàn)國內外對于天然氣摻混研究以摻混熱值和摻混比例熱為主要研究目標，并對熱值調整的應用可行性進行了評價。但在實際應用中，考慮實際現(xiàn)場管路，對于天然氣摻混后的均勻性效果和摻混后多遠距離摻混氣體可以混合均勻的研究較少。因此，對于天然氣熱值調控過程中摻混效果的數(shù)值模擬研究具有一定實際意義。

1 摻混管路模型建立

為研究天然氣熱值調控過程的摻混效果，對1支管摻混管路和1個匯管摻混管路進行對比研究。支管摻混管路模型和匯管摻混管路模型分別如圖1和圖2所示。

圖2 匯管摻混管路模型

圖1 支管摻混管路模型

對于支管摻混管路模型，主管路為直徑D1=200 mm的圓管，摻混進口直管直徑為D2=60 mm的圓管。主管路進口距離摻混支管中心距離為10D1=2 000 mm，摻混支管長度為10D2=600 mm，摻混支管中心距離主管路出口為40D1=8 000 mm。

對于匯管摻混管路模型，主管路為直徑D1=200 mm的圓管，摻混進口直管直徑為D2=60 mm的圓管。匯管為直徑D3=400 mm的圓管。主管路進口距離摻混支管中心距離為5D1=1 000 mm，摻混支管長度為10D2=600 mm，摻混支管中心距離匯管中心為5D1=1 000 mm。2個支路管徑為D1=200 mm，均對稱距離匯管中心位置5D3=2 000 mm，匯管兩邊封頭位置分別距離2條支路管線中心2D3=800 mm。

2 管路模型網(wǎng)格劃分

單管摻混結構相對簡單，全部采用六面體結構化網(wǎng)格劃分，并在圓管壁附近進行網(wǎng)格的局部加密，以相對精確地計算邊界層的流動。單管摻混模型網(wǎng)格如圖3(a)所示，網(wǎng)格總數(shù)為472萬。匯管摻混管路結構相對復雜，如圖3(b)所示，網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格劃分，并在圓管壁附近進行邊界層網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格進行局部加密，以相對精確地計算邊界層的流動。網(wǎng)格總數(shù)為541萬。

圖3 管路網(wǎng)格劃分

3 邊界條件設置

對于求解設置的邊界條件，環(huán)境參考溫度為25 ℃，進口參考壓力為10 kPa。主管路進口采用的速度進口為22.1 m/s(即2 500 m3/h)，摻混支管路進口采用的速度進口為24.56 m/s(即250 m3/h)，支路出口選擇自由出流邊界條件。計算壁面采用無滑移壁面邊界條件，湍流模型選擇標準的k-ε湍流模型，結合標準壁面函數(shù)進行計算。仿真計算設置氣體為不可壓縮，計算工質有2種摻混氣體：一種是樣氣；另一種是LNG。2種摻混氣體中甲烷、乙烷、丙烷、氮氣、氫氣及二氧化碳的摩爾分數(shù)如表1所示。

表1 摻混氣體組分及其分布(摩爾分數(shù)/%)

4 模型求解

4.1 支管摻混流場分析

對于支管摻混數(shù)值模擬結果，管路沿管長截面速度分布如圖4所示。由圖4可知，在初始主管路進口速度相對均勻，在支管摻混處，2種不同速度大小和方向的氣體發(fā)生摻混。摻混后，在摻混拐角處形成一個速度很低的流動區(qū)域，所占寬度達到管路1/3管徑，并在下游發(fā)展達到1/2管徑。此流動區(qū)域流動較為緩慢，不利于下游流體的相互摻混。

圖4 摻混處局部速度分布圖

氣體摻混后甲烷組分摩爾分數(shù)云圖如圖5所示。

圖5 氣體摻混后甲烷組分摩爾分數(shù)云圖

從圖5可知，對于主管路進口為樣氣，甲烷摩爾分數(shù)為96.06%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG甲烷組分摩爾分數(shù)為93.5%。摻混后，樣氣從主管路中心至底部流穿，并在下游逐漸與LNG氣體發(fā)生摻混。而LNG氣體則在主管路上部至管路中心流動，被樣氣“吹偏”至下游，并逐漸與樣氣發(fā)生摻混。在下游摻混后甲烷的摩爾分數(shù)為95.83%。

氣體摻混后乙烷組分摩爾分數(shù)云圖如圖6所示。

圖6 氣體摻混后乙烷組分摩爾分數(shù)云圖

從圖6可知，對于主管路進口樣氣，乙烷摩爾分數(shù)為0.54%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG中乙烷組分的摩爾分數(shù)為6.36%。摻混后，樣氣從主管路中心至底部流穿，并在下游逐漸與LNG氣體發(fā)生摻混。而LNG氣體則在主管路上部至管路中心流動，被二號樣氣“吹偏”至下游，并逐漸與樣氣發(fā)生摻混。在下游摻混后乙烷的摩爾分數(shù)達到1.07%。

氣體摻混后丙烷組分摩爾分數(shù)云圖如圖7所示。

圖7 氣體摻混后丙烷組分摩爾分數(shù)云圖

從圖7可知，對于主管路進口樣氣，丙烷摩爾分數(shù)為0.12%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG丙烷組分的摩爾分數(shù)為0.06%。摻混后，樣氣從主管路中心至底部流穿，并在下游逐漸與LNG氣體發(fā)生摻混。而LNG氣體則在主管路上部至管路中心流動，被樣氣“吹偏”至下游，并逐漸與樣氣發(fā)生摻混。在下游摻混后丙烷的摩爾分數(shù)達到0.11%。

氮氣組分摩爾分數(shù)云圖如圖8所示。

圖8 氣體摻混后氮氣組分摩爾分數(shù)云圖

從圖8可知，對于主管路進口樣氣，氮氣摩爾分數(shù)為1.70%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG氮氣組分的摩爾分數(shù)為0.08%。摻混后，樣氣從主管路中心至底部流穿，并在下游逐漸與LNG氣體發(fā)生摻混。而LNG氣體則在主管路上部至管路中心流動，被樣氣“吹偏”至下游，并逐漸與樣氣發(fā)生摻混。在下游摻混后氮氣的摩爾分數(shù)達到1.55%。

氫氣組分摩爾分數(shù)云圖如圖9所示。

圖9 氣體摻混后氫氣組分摩爾分數(shù)云圖

從圖9可知，對于主管路進口為二號樣氣，氫氣摩爾分數(shù)為1.28%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG氫氣組分摩爾分數(shù)為0.00%。在下游摻混后氫氣的摩爾分數(shù)達到1.16%。

二氧化碳組分摩爾分數(shù)云圖如圖10所示。

圖10 氣體摻混后二氧化碳摩爾分數(shù)云圖

從圖10可知，對于主管路進口為二號樣氣，二氧化碳摩爾分數(shù)為0.30%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG二氧化碳組分的摩爾分數(shù)為0.00%。在下游摻混后二氧化碳的摩爾分數(shù)達到0.27%。

4.2 匯管摻混流場分析

對于匯管摻混數(shù)值模擬結果，管路沿管長截面速度和壓力分布如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可知，在初始主管路進口速度相對均勻，在支管摻混處，2種不同速度大小和方向的樣氣發(fā)生摻混。摻混后，速度分布發(fā)生較大擾動，并以更大的速度向下游流動。在摻混氣體進匯管后，沖擊到匯管內側管壁，并向匯管兩側發(fā)散開來，在匯管內發(fā)生低速的、相對大尺度的旋渦摻混流動。摻混氣體進一步進入支管后，在支管內側拐角形成低速的流動，并在下游逐漸發(fā)展均勻。

圖11 全管長截面速度分布圖

圖12 全管長截面壓力分布圖

摻混后甲烷組分摩爾分數(shù)如圖13所示。

圖13 摻混后甲烷組分摩爾分數(shù)云圖

從圖13可知，對于主管路進口為樣氣，甲烷摩爾分數(shù)為96.06%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG甲烷組分摩爾分數(shù)為93.5%。摻混后的氣體進入?yún)R管，發(fā)生大尺度的摻混，并在進入支管前達到相對均勻的狀態(tài)。在進入支管后，氣體組分已經摻混的相對均勻。在支管中甲烷的摩爾分數(shù)達到95.83%。

圖14 摻混后乙烷組分摩爾分數(shù)云圖

摻混后乙烷組分摩爾分數(shù)如圖14所示。從圖14可知，對于主管路進口為樣氣，乙烷摩爾分數(shù)為0.54%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG乙烷組分摩爾分數(shù)為6.36%。摻混后的氣體進入?yún)R管，發(fā)生大尺度的摻混，并在進入支管前達到相對均勻的狀態(tài)。在進入支管后，氣體組分已經摻混的相對均勻。在支管中乙烷的摩爾分數(shù)達到1.06%。

摻混后丙烷組分摩爾分數(shù)云圖如圖15所示。

圖15 摻混后丙烷組分爾分數(shù)云圖

從圖15可知，對于主管路進口樣氣，丙烷摩爾分數(shù)為0.12%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG丙烷組分摩爾分數(shù)為0.06%。摻混后的氣體進入?yún)R管，發(fā)生大尺度的摻混，并在進入支管前達到相對均勻的狀態(tài)。在進入支管后，氣體組分已經摻混的相對均勻。在支管中丙烷的摩爾分數(shù)達到0.11%。

摻混后氮氣組分摩爾分數(shù)云圖如圖16所示。

圖16 摻混后氮氣組分摩爾分數(shù)云圖

從圖16可知，對于主管路進口樣氣，氮氣摩爾分數(shù)為1.70%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG氮氣組分摩爾分數(shù)為0.08%。摻混后的氣體進入?yún)R管發(fā)生大尺度摻混，并在進入支管前達到相對均勻的狀態(tài)。在進入支管后，氣體組分已經摻混的相對均勻。在支管中氮氣的摩爾分數(shù)達到1.55%。

摻混后氫氣組分摩爾分數(shù)云圖如圖17所示。

圖17 摻混后氫氣組分占比云圖

從圖17可知，對于主管路進口樣氣，氫氣摩爾分數(shù)為1.28%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG氫氣組分摩爾分數(shù)為0.00%。摻混后的氣體進入?yún)R管，發(fā)生大尺度的摻混，并在進入支管前達到相對均勻的狀態(tài)。在進入支管后，氣體組分已經摻混的相對均勻。在支管中氫氣的摩爾分數(shù)達到1.17%。

圖19 支管與匯管摻混后甲烷組摩爾分數(shù)對比

摻混后氫氣組分摩爾分數(shù)云圖如圖18所示。

圖18 摻混后二氧化碳組分占比云圖

由圖18可知，對于主管路進口樣氣，二氧化碳摩爾分數(shù)為0.30%，在摻混處與LNG氣體發(fā)生摻混，LNG二氧化碳組分摩爾分數(shù)為0.00%。摻混后的氣體進入?yún)R管，發(fā)生大尺度的摻混，并在進入支管前達到相對均勻的狀態(tài)。在進入支管后，氣體組分已經摻混的相對均勻。在支管中二氧化碳的摩爾分數(shù)達到0.27%。

4.3 支管與匯管摻混效果對比研究

考慮到摻混后流體工質的摻混均勻性，現(xiàn)將沿管路不同距離截面上流體組分的質量平均(MassFlowAve)求出，截面質量平均表達式為：

支管和匯管摻混后，甲烷、乙烷、丙烷、氮氣、氫氣和二氧化碳摩爾分數(shù)沿摻混中心處距離的變化圖分別如圖19～圖24所示。

圖20 支管與匯管摻混后乙烷組摩爾分數(shù)對比

圖21 支管與匯管摻混后丙烷組摩爾分數(shù)對比

圖22 支管與匯管摻混后氮氣組摩爾分數(shù)對比

圖23 支管與匯管摻混后氫氣組摩爾分數(shù)對比

圖24 支管與匯管摻混后二氧化碳組摩爾分數(shù)對比

由圖19～圖24中可以看出，對于支管摻混，在摻混后距離摻混中心0D～0.5D處摻混劇烈，各個氣體組分摩爾分數(shù)發(fā)生劇烈變化；在0.5D～1.0D會發(fā)生一個跳動，這是受到摻混處后方拐角的旋渦流動影響導致；從1.5D直至出口，發(fā)生逐漸摻混，摻混較慢，但摻混均勻發(fā)展。在15D距離處再往下游，各個氣體組分相對變化已經不大，可認為在15D處2種氣體摻混達到相對均勻狀態(tài)。對于匯管摻混，在摻混后距離摻混中心0D～4D處摻混劇烈，各個氣體組分占比發(fā)生劇烈變化。從4D～6D位置是直徑為400 mm的匯管，流體在匯管中已經達到充分的摻混，在進入支管前已經達到各組分的相對均勻。因此，可認為在匯管的出口或支管的入口處2種氣體摻混達到相對均勻狀態(tài)。

5 結論

為了研究天然氣熱值調控過程的摻混效果，通過建立不同熱值天然氣摻混管路模型，并基于ANSYS Fluent 16.0仿真軟件對1支管摻混和1匯管摻混進行數(shù)值模擬，得出如下結論：

(1)對于單管摻混流動，在摻混處拐角易發(fā)生低速滯流區(qū)域，摻混的效果不如匯管。在距離摻混中心位置15D=3 000 mm處，摻混相對充分，各氣體組分達到相對均勻狀態(tài)。但在下游隨著流動的發(fā)展，摻混仍在進行。

(2)對于匯管摻混流動，由于匯管的存在，改變了流體流動的方向，加強了流動的摻混，摻混效果較好。在匯管的出口，即支管的入口處，各氣體組分已達到相對均勻狀態(tài)。