李亞茜 田 園 陰麗詩(shī) 陳界學(xué) 謝 晶

1. 中國(guó)石油化工股份有限公司西南油氣分公司采氣四廠, 重慶 402160;2. 重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院, 重慶 401331;3. 中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦, 重慶 400700

0 前言

天然氣管輸過(guò)程中,由于氣源、過(guò)濾系統(tǒng)、運(yùn)行年限等原因,管道內(nèi)壁易附著以粉塵為主的大量污物,致使管道有效流通面積縮減,降低了管輸效率[1-3]。射流清管器可有效清除管道內(nèi)污垢,提升管輸效率,保障天然氣輸送安全[4]。射流清管器噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)特性有顯著影響,是實(shí)現(xiàn)射流功能的關(guān)鍵部位,其射流效果的優(yōu)劣直接決定了清管工作效率[5],因此選擇和設(shè)計(jì)合理的噴嘴結(jié)構(gòu)非常重要。

射流清管器多用于清管速度控制及防止段塞流捕集器過(guò)載,對(duì)于射流控制及射流清管器噴嘴結(jié)構(gòu)的研究主要集中在旁通率自動(dòng)調(diào)節(jié)方面。目前廣泛使用的射流清管器主要有3種噴嘴結(jié)構(gòu):直通型、前端帶折流板型、內(nèi)設(shè)閥門型[6-7]。對(duì)于天然氣管道內(nèi)壁附著的粉塵和固體雜質(zhì),目前常用的各種噴嘴結(jié)構(gòu)均不能達(dá)到最佳吹掃效果。調(diào)研發(fā)現(xiàn)環(huán)狀射流對(duì)管道內(nèi)壁粉塵攜帶效果最佳,吹掃范圍最大且吹掃效果均勻[8-10],目前環(huán)狀噴嘴多用于取芯鉆進(jìn)及反循環(huán)鉆探中。取芯鉆進(jìn)中環(huán)狀噴嘴由環(huán)狀分布的多個(gè)單噴嘴組成,通過(guò)噴嘴流場(chǎng)模擬射流對(duì)冰層的作用過(guò)程來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)狀噴嘴的噴射角度、單噴嘴的排列方式;反循環(huán)鉆探中環(huán)狀噴嘴為直通環(huán)形結(jié)構(gòu),通過(guò)模擬環(huán)狀噴嘴內(nèi)流場(chǎng)反循環(huán)的形成過(guò)程來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)狀噴嘴間隙、高度、噴射角度。因此,為充分發(fā)揮環(huán)狀噴嘴的射流吹掃作用,實(shí)現(xiàn)高效、安全、可控的清管過(guò)程,需對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

基于射流流動(dòng)理論和計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真分析法,選用實(shí)際氣體模型開展射流清管器環(huán)狀噴嘴射流過(guò)程的數(shù)值模擬。通過(guò)改變環(huán)狀噴嘴內(nèi)錐角和外錐角的大小,根據(jù)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下流速和湍流動(dòng)能在下游管道中的變化情況,探索最大化噴嘴吹掃效果的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),為環(huán)狀噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 模型建立與網(wǎng)格剖分

1.1 模型建立

射流清管器環(huán)狀噴嘴的軸心部分留有可調(diào)節(jié)射孔,以便調(diào)節(jié)旁通率,主要由水平段和擴(kuò)散段組成,其中直接影響射流效果的是擴(kuò)散段參數(shù)[11],因此重點(diǎn)關(guān)注擴(kuò)散段參數(shù)的優(yōu)化,環(huán)狀噴嘴結(jié)構(gòu)見圖1。以Φ273×10 mm的天然氣管道為例,由于環(huán)狀噴嘴幾何結(jié)構(gòu)只對(duì)清管器前端的下游流場(chǎng)產(chǎn)生影響[12],即清管器后端流場(chǎng)特性不影響噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化,因此建立模型時(shí)可將其略去[13-14],計(jì)算區(qū)域只包括射流流場(chǎng),見圖2。圖2中區(qū)域Ⅰ、Ⅱ分別表示環(huán)狀噴嘴、射流流場(chǎng),將區(qū)域Ⅱ左端面與管軸的交點(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,管軸設(shè)為X軸,區(qū)域Ⅱ左端面為Y軸。為得到區(qū)域Ⅱ中流速和湍流動(dòng)能的變化規(guī)律,應(yīng)選擇環(huán)狀噴嘴后10倍管徑為計(jì)算區(qū)域,但考慮到射流的充分發(fā)展區(qū)域范圍遠(yuǎn)小于10倍管徑,基于環(huán)狀射流二維軸對(duì)稱簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果,將模擬計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度設(shè)置為650 mm。

圖1 環(huán)狀噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 環(huán)狀噴嘴射流計(jì)算區(qū)域模型圖

1.2 網(wǎng)格剖分

應(yīng)用Ansys ICEM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,見圖3。由于環(huán)狀射流區(qū)域的流速、湍流動(dòng)能等流動(dòng)參數(shù)變化劇烈,因此針對(duì)該區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,為了使網(wǎng)格的疏密能更好地適應(yīng)流場(chǎng)的變化,在初算后依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了網(wǎng)格自適應(yīng)處理。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,摒除了網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,最終確定射流流場(chǎng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為 312 787,單元數(shù)為303 352,六面體網(wǎng)格最小雅克比矩陣與最大雅克比矩陣比值均大于0.6,滿足計(jì)算精度要求。

a)網(wǎng)格劃分整體情況

1.3 求解過(guò)程

由于射流速度遠(yuǎn)低于音速,不屬于強(qiáng)可壓縮流動(dòng)范疇,故采用Fluent軟件自帶的基于壓力的耦合求解器進(jìn)行求解[15]。由于天然氣經(jīng)過(guò)射流噴嘴高速噴射時(shí)會(huì)導(dǎo)致溫度變化,考慮到溫度對(duì)黏度的影響,因此氣體黏度采用反應(yīng)氣體黏溫關(guān)系的Sutherland模型模擬;流動(dòng)介質(zhì)選用甲烷,密度計(jì)算選用P-R狀態(tài)方程;考慮到環(huán)狀射流與軸心射流相互擾動(dòng)造成流線彎曲,選用RNGk-ε湍流模型,壁面采用增強(qiáng)壁面函數(shù),計(jì)算得到y(tǒng)+均在1.2～5.3之間。設(shè)置收斂臨界值為1×10-5,計(jì)算得到出口與入口質(zhì)量流量相對(duì)誤差為0.65%,計(jì)算收斂。

2 環(huán)狀噴嘴擴(kuò)散段參數(shù)優(yōu)化

采用噴嘴長(zhǎng)度、噴嘴內(nèi)錐角、噴嘴外錐角來(lái)表征環(huán)狀噴嘴擴(kuò)散段幾何結(jié)構(gòu)。由于清管器最大轉(zhuǎn)彎半徑及環(huán)狀噴嘴重量對(duì)清管器骨架重心偏移的影響[16-18],限定了Φ273×10 mm的天然氣管道射流清管器最大環(huán)狀噴嘴長(zhǎng)度為78.5 mm,同時(shí)環(huán)狀噴嘴在清管器骨架上所需的最小安裝空間限制了環(huán)狀噴嘴水平段最小長(zhǎng)度為41 mm,故環(huán)狀噴嘴擴(kuò)散段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)采用37.5 mm。為得到具有最佳管道內(nèi)壁吹掃能力的環(huán)狀噴嘴內(nèi)錐角和外錐角的大小,需依據(jù)環(huán)狀噴嘴在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的射流吹掃效果[19],從徑向和軸向維度選取多個(gè)剖面對(duì)射流流場(chǎng)區(qū)域速度和湍流動(dòng)能的覆蓋范圍及變化規(guī)律進(jìn)行分析,徑向剖面和軸向參考線選取見圖4。軸向截取距離環(huán)狀噴嘴出口為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm 的5個(gè)圓形剖面,見圖4-a);徑向以管軸為原點(diǎn)、沿管道半徑分別取0 mm、60 mm和110 mm代表管道軸線、中間層、近壁層3個(gè)位置,見圖4-b)。

a)沿管道軸線的5個(gè)圓形剖面

2.1 內(nèi)錐角優(yōu)化

為確定最優(yōu)內(nèi)錐角,固定環(huán)狀噴嘴入口直徑55 mm,水平段長(zhǎng)度41 mm,擴(kuò)散段長(zhǎng)度37.5 mm,同時(shí)設(shè)置外錐角大小與內(nèi)錐角大小相同,避免外錐角對(duì)射流流場(chǎng)的影響,達(dá)到分析單一變量的目的。共設(shè)置了70°、80°、90°、100°這4種不同內(nèi)錐角的優(yōu)化方案,并將4個(gè)模型分別編號(hào)為A1、A2、A3、A4。

2.1.1 內(nèi)錐角對(duì)射流流場(chǎng)區(qū)域流速的影響

射流吹掃速度越大,氣體攜帶顆粒的能力越強(qiáng),因此可用于評(píng)價(jià)對(duì)粉塵、固體雜質(zhì)等污垢的吹掃效果。不同內(nèi)錐角下環(huán)狀噴嘴不同剖面流速云圖見圖5。由圖5-a)可知:射流束的外表面存在擴(kuò)散現(xiàn)象,并沿管道徑向發(fā)散。區(qū)域Ⅱ中的高速流核區(qū)呈現(xiàn)錐形,形成的軸心射流束可沖散管道軸線附近堆積的污垢,同時(shí)軸心錐形射流與環(huán)狀射流相互擾動(dòng)形成渦旋,將管壁附著的粉塵、固體雜質(zhì)卷入射流流場(chǎng),使之變?yōu)閼腋顟B(tài)并被射流氣體攜帶向前運(yùn)動(dòng)。由圖5-b)可知:各模型圓心附近流速達(dá)到最大,沿管道半徑存在明顯的梯度變化,而徑向剖面的流速分布差別很小,但隨著距離增加,內(nèi)錐角大的模型衰減速度更慢,這是因?yàn)殡S著內(nèi)錐角增大,環(huán)狀射流效應(yīng)增強(qiáng),射流吹掃管壁產(chǎn)生的渦旋對(duì)軸心射流的抑制作用減弱。模型A4與模型A3的流速分布云圖和衰減速度近乎一致,說(shuō)明繼續(xù)增大內(nèi)錐角對(duì)管內(nèi)流速分布的影響效果已不明顯。

a)軸向剖面

不同內(nèi)錐角下環(huán)狀噴嘴不同位置的流速變化曲線見圖6。由圖6可知,各模型均在400 mm處衰減至管道的平穩(wěn)輸送速度,說(shuō)明環(huán)狀射流吹掃范圍與內(nèi)錐角大小無(wú)關(guān)。管道軸線上管道長(zhǎng)度0～138 mm內(nèi),速度隨內(nèi)錐角增大而增大,其中模型A3和模型A4流速相差不大,略高于模型A2流速,顯著高于模型A1流速;管道長(zhǎng)度138 mm之后模型A3流速始終高于模型A4流速。中間層上各模型流速變化情況基本一致,管道長(zhǎng)度0～46 mm內(nèi)流速均迅速衰減,其中模型A3流速最大;管道長(zhǎng)度 46 mm 之后模型A4流速最大。近壁層上管道長(zhǎng)度0～200 mm內(nèi),當(dāng)內(nèi)錐角從70°增大到90°時(shí),速度有一定程度的增加;但當(dāng)內(nèi)錐角增大到100°時(shí),其流速曲線與90°時(shí)流速曲線幾乎重合,流速不再增大;管道長(zhǎng)度200 mm之后模型A3的流速反而高于模型A4流速,說(shuō)明90°的內(nèi)錐角是流速變化的臨界值。綜上,模型A3在管道軸線和近壁層上的流速最大,僅在中間層上略小于模型A4流速,因此內(nèi)錐角為90°的模型A3在流場(chǎng)中具有最優(yōu)的吹掃速度分布。

a)管道軸線

2.1.2 內(nèi)錐角對(duì)射流流場(chǎng)區(qū)域湍流動(dòng)能的影響

湍流動(dòng)能反映了湍流脈動(dòng)速度的大小,湍流動(dòng)能越大,射流對(duì)管內(nèi)污垢的擾動(dòng)能力越強(qiáng),可作為評(píng)價(jià)射流效果的重要指標(biāo)[20]。不同內(nèi)錐角下環(huán)狀噴嘴不同剖面湍流動(dòng)能云圖見圖7。由圖7-a)可知:湍流動(dòng)能較大區(qū)域基本與高速流核區(qū)相吻合,各模型的湍流動(dòng)能在管道軸線上最大,在中間層上最小。由圖7-b)可知:模型A3和模型A4在整個(gè)徑向剖面內(nèi)湍流動(dòng)能覆蓋區(qū)域較大,且沿管道軸線衰減速度較慢,在距離環(huán)狀噴嘴出口250 mm處的近壁層仍有較大值,能保持對(duì)管內(nèi)污垢較強(qiáng)的擾動(dòng),有利于將其卷入射流核心區(qū)。

a)軸向剖面

不同內(nèi)錐角下環(huán)狀噴嘴不同位置的湍流動(dòng)能變化曲線見圖8。由圖8可知:各模型的湍流動(dòng)能均在管道長(zhǎng)度400 mm處趨于穩(wěn)定的低值狀態(tài)。內(nèi)錐角大小對(duì)管道軸線上的湍流動(dòng)能影響明顯,管道長(zhǎng)度0～98 mm內(nèi)模型A3的湍流動(dòng)能呈急劇減小的趨勢(shì),其湍流動(dòng)能始終高于其他模型湍流動(dòng)能。中間層上各模型的湍流動(dòng)能均在噴嘴出口處達(dá)到峰值,隨后各模型的變化情況基本一致,但總體上模型A3的湍流動(dòng)能略大于其他模型湍流動(dòng)能。近壁層上模型A1由于內(nèi)錐角小,射流流線與管內(nèi)壁接觸點(diǎn)靠后,流體微團(tuán)從噴嘴出口運(yùn)動(dòng)到壁面的距離大,黏性耗散多,因此湍流動(dòng)能始終低于其他模型湍流動(dòng)能;在管道長(zhǎng)度0～217 mm的較大范圍內(nèi),模型A3的湍流動(dòng)能顯著高于其他模型湍流動(dòng)能。綜上,內(nèi)錐角為90°的模型A3在管道軸線、中間層、近壁層3個(gè)位置的湍流動(dòng)能分布情況最好。

a)管道軸線

綜合考慮流場(chǎng)中流速、湍流動(dòng)能的變化情況,確定射流清管器環(huán)狀噴嘴的最優(yōu)內(nèi)錐角為90°。

2.2 外錐角優(yōu)化

設(shè)置內(nèi)錐角為90°,其他參數(shù)不變,在固定旁通面積的基礎(chǔ)上設(shè)置75°、80°、85°這3種不同外錐角的優(yōu)化方案,并將3個(gè)模型分別編號(hào)為B1、B2、B3。

2.2.1 外錐角對(duì)射流流場(chǎng)區(qū)域流速的影響

不同外錐角下環(huán)狀噴嘴不同剖面流速云圖見圖9。由圖9可知:各模型在區(qū)域Ⅱ中高速流核區(qū)的變化規(guī)律與覆蓋范圍相似,差別較小,難以看出射流流速在數(shù)值上的差別,因此需從管道不同位置的流速變化曲線來(lái)進(jìn)一步分析外錐角對(duì)射流流速的影響規(guī)律。

a)軸向剖面

不同外錐角下環(huán)狀噴嘴不同位置的流速變化曲線見圖10。由圖10可知:各模型流速均在管道長(zhǎng)度 600 mm 處達(dá)到穩(wěn)定值。管道軸線上各模型的流速變化曲線幾乎重合,管道長(zhǎng)度0～79 mm內(nèi)各模型流速均呈逐漸減小趨勢(shì),管道長(zhǎng)度79 mm之后由于環(huán)狀射流對(duì)軸心射流的擾動(dòng),軸線上流速均先增大后減小,在管道長(zhǎng)度130 mm左右達(dá)到峰值,其中模型B2的流速略大于其他模型流速。各模型在管道中間層上的流速曲線幾乎重合,差別很小。管道近壁層上的流速呈先增大后減小的趨勢(shì),在管道長(zhǎng)度0～26 mm內(nèi),各模型流速幾乎一致,隨后模型B3在管道長(zhǎng)度53 mm處流速達(dá)到峰值12.4 m/s,模型B1在管道長(zhǎng)度61 mm處流速達(dá)到峰值14.1 m/s,模型B2在管道長(zhǎng)度72 mm處流速達(dá)到峰值14.5 m/s,且模型B2流速始終高于其他模型流速。綜上,3種模型在管道軸線和中間層上的差別很小,在近壁層上的流速變化規(guī)律基本一致,其中模型B2在近壁層上優(yōu)勢(shì)明顯,因此外錐角為80°的模型B2具有最優(yōu)的吹掃速度分布。

a)管道軸線

2.2.2 外錐角對(duì)射流流場(chǎng)區(qū)域湍流動(dòng)能的影響

不同外錐角下環(huán)狀噴嘴不同剖面湍流動(dòng)能云圖見圖11。由圖11可知:各模型在區(qū)域Ⅱ中湍流動(dòng)能分布情況相似,均能在較大范圍內(nèi)保持較高的湍流動(dòng)能,并沿管道軸線緩慢衰減,其中模型B2的湍流動(dòng)能在距離噴嘴出口200 mm處的近壁層仍有較大值。

a)軸向剖面

不同外錐角下環(huán)狀噴嘴不同位置的湍流動(dòng)能變化曲線見圖12。由圖12可知:各模型的湍流動(dòng)能均在管道長(zhǎng)度600 mm處趨于穩(wěn)定的低值狀態(tài)。各模型在管道軸線和中間層上的湍流動(dòng)能變化曲線基本重合,在管道中間層管道長(zhǎng)度98 mm之后,模型B3湍流動(dòng)能略低于其他模型湍流動(dòng)能。近壁層上模型B1和模型B2在管道長(zhǎng)度0～59 mm區(qū)間內(nèi)湍流動(dòng)能曲線幾乎重合,且湍流動(dòng)能均大于模型B3湍流動(dòng)能;管道長(zhǎng)度59～600 mm內(nèi),模型B2湍流動(dòng)能大于其他模型湍流動(dòng)能。綜上,各模型在管道軸線和中間層上差別不大,近壁層上模型B2優(yōu)勢(shì)明顯,因此外錐角為80°的模型B2在流場(chǎng)中具有最佳的湍流動(dòng)能分布。

a)管道軸線

由于近壁層是管壁附著污垢清洗作業(yè)的有效區(qū)域,故在初始條件相同的前提下,近壁層的流速和湍流動(dòng)能越大,清管效果越好,因此確定射流清管器環(huán)狀噴嘴的最優(yōu)外錐角為80°。

3 結(jié)論

1)射流清管器環(huán)狀噴嘴環(huán)狀射流與軸心射流交互,對(duì)整個(gè)管壁進(jìn)行均勻吹掃,并將管壁附著的粉塵、固體雜質(zhì)等污垢卷入射流流場(chǎng),從而減小清管器運(yùn)行阻力,可有效預(yù)防清管器前端污垢柱的形成,顯著降低清管頻率與卡堵風(fēng)險(xiǎn)。

2)由于環(huán)狀射流與軸心射流的相互擾動(dòng),環(huán)狀噴嘴內(nèi)錐角和外錐角的變化只影響管內(nèi)射流吹掃速度、湍流動(dòng)能大小及管道徑向吹掃效果,不影響管道的軸向吹掃范圍。

3)通過(guò)對(duì)不同錐角的射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,以射流流速和湍流動(dòng)能作為吹掃效果評(píng)價(jià)指標(biāo),則環(huán)狀噴嘴內(nèi)錐角為90°、外錐角為80°時(shí)能達(dá)到最佳的管道內(nèi)壁吹掃效果。