輸氣站分離器前匯管中的粉塵沉降研究

1、輸(配)氣站分離器前匯管中的顆粒沉降研究摘要：建立了輸氣站分離器前匯管中顆粒沉降的分析模型。利用該模型給出了顆粒在匯管中的沉降條件及沉降速度的確定方法，以榕山輸氣站匯1為例對(duì)顆粒在匯管中的沉降條件及沉降速度進(jìn)行了理論上的初步分析和計(jì)算，相關(guān)結(jié)論對(duì)輸氣站匯管的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：輸氣站 匯管 顆粒 沉降條件 沉降速度一、引言輸氣管網(wǎng)中的凈化天然氣仍然攜帶有微小直徑的液滴、粉塵等顆粒，因此，大型輸氣管網(wǎng)的不少輸(配)氣站都設(shè)置有除塵分離器（例如川渝管網(wǎng)的榕山、納溪等輸氣站），這些除塵分離器前都設(shè)有用于匯集和分配天然氣的匯管。由于大型輸氣管網(wǎng)上的輸(配)氣站常常對(duì)大型用戶供氣，匯管管徑都比

2、較大，氣流經(jīng)過時(shí)流速大大減緩，導(dǎo)致具有足夠直徑的顆粒沉降并沉積下來，嚴(yán)重的情況下，匯管變成了“臥式分離器”。例如，川渝管網(wǎng)某輸氣站的匯1，該匯管位于四臺(tái)管干式除塵分離器前，由于沒有設(shè)置注水孔及排污坑等原因，導(dǎo)致清除匯管中的污物存在較大困難。經(jīng)過多年的生產(chǎn)運(yùn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)判斷，匯管中沉積了小半管污物，既影響正常生產(chǎn)又腐蝕匯管，成為該站一大安全隱患。事實(shí)上，此類沉降問題在大型輸氣管網(wǎng)中普遍存在，只是程度不同而已，但由于現(xiàn)今的匯管設(shè)計(jì)考慮了排污措施，該問題沒有引起足夠的重視，設(shè)計(jì)匯管及進(jìn)出氣管規(guī)格、位置時(shí)常僅考慮流量、現(xiàn)場(chǎng)位置等因素，采用“匯管的截面積是進(jìn)口或出口截面積的1·5倍”等經(jīng)驗(yàn)

3、來確定1，然而，在生產(chǎn)實(shí)際中對(duì)匯管進(jìn)行排污常常受到諸多制約條件，難以做到按計(jì)劃排污。因此，探討能否從優(yōu)化匯管設(shè)計(jì)的角度來減小該類問題的不良影響是必要的。弄清顆粒在匯管中的沉降條件及沉降速度對(duì)解決此類問題至關(guān)重要，它對(duì)如何采取措施減小發(fā)生沉降現(xiàn)象的程度和預(yù)測(cè)沉降量、判斷匯管生產(chǎn)狀態(tài)具有重要的參考價(jià)值。本文以某輸氣站匯1為例對(duì)顆粒在匯管中的沉降條件及沉降速度進(jìn)行了理論上的初步分析和計(jì)算，所采用的方法對(duì)其它類似情形具有一定的借鑒意義。二、分析模型及沉降機(jī)理該輸氣站匯1目前生產(chǎn)流程見圖1，出氣管線僅畫出其中在用的兩條。為方便分析，先對(duì)匯管中的氣流做如下假設(shè)和簡化：（1） 認(rèn)為出氣管附近復(fù)雜的渦漩流動(dòng)區(qū)

4、域的顆粒不發(fā)生沉降；（2） 認(rèn)為除出氣管附近復(fù)雜的渦漩流動(dòng)外其余各個(gè)截面上的氣流速度均勻同向；（3） 匯管左端截面至出氣管1管段內(nèi)的氣體近似為“死氣”，無流動(dòng)。但要考慮顆粒在濃差作用下的擴(kuò)散，并認(rèn)為這段“死氣”在正常生產(chǎn)狀態(tài)下始終保持一定的顆粒濃度。顆粒能否沉降取決于匯管中的氣流狀態(tài)及自身?xiàng)l件。如圖所示，氣流從匯管右側(cè)進(jìn)入后由兩出氣管流出。由于匯管中氣流速度低,氣流中夾帶的顆粒不能被氣流及時(shí)帶走而在重力作用下發(fā)生沉降。若顆粒直徑、密度等條件足夠大則會(huì)沉降至匯管底部并沉積下來。因此，對(duì)于給定的區(qū)域和氣流速度，存在一個(gè)顆粒的臨界直徑dc（設(shè)顆粒密度不變），使得大于dc的顆粒都沉降至底部并沉積，而小

5、于該直徑的顆粒只能部分地沉降至底部。如圖3示，處于A點(diǎn)的直徑為dc的顆粒，在氣流速度v和沉降速度wc的作用下，以一個(gè)合速度向B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)并沉積于B點(diǎn)。對(duì)于匯1中的沉降問題，主要存在三個(gè)不同的沉降區(qū)域及氣流速度。在第區(qū)內(nèi)流速為v1，直徑大于dc1的顆粒將全部沉降至底部；在第區(qū)內(nèi)流速為v2，直徑大于dc2的顆粒將全部沉降至底部；在第區(qū)內(nèi)流速v3為0，直徑大于dc3的顆粒將全部沉降至底部，小于dc3的顆粒則因受到的重力與浮力相當(dāng)而懸浮在氣體中。由上面的分析可知，只要能確定dc，并知道氣體中直徑大于dc的顆粒的含量，就可以確定“至少有多少沉積物（大于等于dc的那部分顆粒）”。需要說明，由于涉及到移動(dòng)邊界問

6、題， “直徑小于dc的那部分顆粒有多少可沉積下來”比較難確定(除第區(qū)外)，本文暫不予考慮。三、沉降速度及顆粒臨界直徑的確定方法1、沉降速度如圖3所示，在顆粒沉降過程中豎直方向上受到自身的重力、氣體的阻力及浮力。根據(jù)受力平衡可以導(dǎo)出顆粒沉降速度的計(jì)算式2。參照文獻(xiàn)2 ，vinvout1vout23m4m1m圖1某輸氣站匯1生產(chǎn)流程示意圖vinv2v1v3圖2沉降分區(qū)示意圖ldvwcBAGRA 圖3 顆粒沉降路徑示意圖 圖4 顆粒受力分析（1）顆粒本身的重力G（單位為N） （1）D，顆粒（液滴）直徑，m；，顆粒（液滴）的密度，kg/m3。（2）氣體的阻力R（單位N） （2）CD，水力阻力系數(shù)；，介

7、質(zhì)（氣體）在所給定壓力和溫度下的密度，kg/m3；w，顆粒沉降速度，m/s。（3）浮力A（單位N） （3）當(dāng)顆粒在氣流中平衡或作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)有如下條件： G=A+R （4）綜合以上公式并化簡得到： （5）將，代入上式，得 （6），氣體粘度，kg/(m·s)或Pa·s,為所給壓力和溫度下的量。方程（5）、（6）即為在重力作用下顆粒沉降速度的一般表達(dá)式。由于圍繞顆粒的流動(dòng)為層流，Re2，阻力系數(shù)CD表達(dá)式中n=1，。于是，將其代入顆粒沉降的一般表達(dá)式中，最后可得到： （7）式中：Dm：顆粒直徑，m：粘度，cp；但是對(duì)于生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)，（7）式并不適用?？梢杂孟铝休^為完善的阻力

8、系數(shù)公式來計(jì)算顆粒的沉降速度。 （8）由方程5，將其中顆粒直徑D（m）換算成Dm(m),于是得到： （9）對(duì)于CD=0.34，則有： （10）采用迭代法如下求解w，步驟如下：（1）用（10）式計(jì)算初始w；（2）；（3）根據(jù)Re，用（8）式算出CD； （4）根據(jù)CD，用（9）式算出新的w；（5）轉(zhuǎn)至第2步，并迭代計(jì)算，直到算出來的w滿足要求為止。對(duì)于上述計(jì)算，采用vb語言編制程序來計(jì)算十分方便。2、dc的確定通過改變顆粒直徑，獲得不同的沉降速度。當(dāng)顆粒直徑為dc時(shí)，沉降速度正好為wc。它表示：在該沉降速度下，處于A點(diǎn)的直徑為dc的顆粒降至底部時(shí)正好位于B點(diǎn)（圖3）。據(jù)此，計(jì)算步驟如下：（1）計(jì)算

9、wc解得，（2）利用前面沉降速度的計(jì)算方法，改變顆粒直徑，直到算出的沉降速度為wc。四、計(jì)算與分析1、計(jì)算參數(shù)匯管規(guī)格：720×18 進(jìn)氣管線：630×14出氣管線：325×8 進(jìn)氣流量：60100×104Nm3/d進(jìn)氣壓力：1.6 1.9MPa 匯管中氣體溫度：20分離器前的含塵量為:1.17mg/L顆粒密度：1000kg/m3天然氣物性參數(shù)：標(biāo)態(tài)下相對(duì)密度取0.6 計(jì)算壓力溫度下的粘度取1.135×10-5Pa·s計(jì)算壓力溫度下的壓縮因子近似取12、計(jì)算結(jié)果及分析表1 不同進(jìn)氣量下的wc、 dc進(jìn)氣量(×104Nm3/d

10、)第區(qū)第區(qū)第區(qū)wc1(m/s)dc1(m)w1(m/s)wc2(m/s)dc2(m)w2(m/s)wc3(m/s)dc3(m)w3(m/s)500.643000.700.08 500.09>0600.773500.790.10 600.12>0700.904500.950.11 600.12>0801.035501.090.13 700.15>0901.166501.210.15 700.15>01001.287501.330.16 800.18>0注：w1直徑為dc1的顆粒實(shí)際沉降速度，w2、 w3同。不同進(jìn)氣量下各沉降區(qū)的wc、 dc見表1 。（1）各沉

11、降區(qū)沉降特點(diǎn)分析根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，對(duì)各沉降區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行分析。第區(qū)： 由于輸氣站場(chǎng)管道內(nèi)的天然氣所含的顆粒直徑一般都小于100m，因此，當(dāng)氣量在50100×104Nm3/d時(shí)，該區(qū)能滿足沉降于匯管底部的顆粒很少。即使有少量匯管底部附近位置的顆粒沉降下來，也會(huì)由于第區(qū)的氣流沖擊速度還比較大（相對(duì)第區(qū)和第區(qū)）以及該區(qū)匯管長度小而大部分被沖刷走。第區(qū)：氣量低于70×104Nm3/d時(shí)，直徑為60m及以上的顆粒將全部沉降。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)其它直徑的顆粒而言，輸氣管網(wǎng)中的直徑為60m及附近的顆粒濃度是較大的。因此，該沉降區(qū)是匯1顆粒沉降的重要區(qū)域。第區(qū)：由于該區(qū)域氣流近似“死氣”，

12、第區(qū)沒有沉降下來的顆粒，只要不能由浮力平衡均會(huì)沉積下來。此后，在濃差的作用下，第區(qū)沒有沉降的顆粒會(huì)擴(kuò)散到該區(qū)繼續(xù)沉積。第區(qū)和第區(qū)誰是最主要的沉積區(qū)取決于氣流速度（氣量）。若氣量低于70×104Nm3/d，大部分顆粒在第區(qū)被“過濾”掉，第區(qū)中僅有低于60m的小直徑顆粒在該區(qū)沉降，此種情形，第區(qū)是主要沉降區(qū)，第區(qū)是次要沉降區(qū)；若氣量大于80×104Nm3/d，則正好反過來。由于氣量越大，整個(gè)匯管的沉降量越少，第區(qū)作為主要沉降區(qū)比第區(qū)作為主要沉降區(qū)要相對(duì)有利些。同時(shí)，由于第區(qū)處在匯管端部，沉積物對(duì)氣流在匯管中流通造成的不利影響也要小些。這一結(jié)論及本文采用的計(jì)算方法，對(duì)于顆粒含量較

13、大的輸氣站匯管的設(shè)計(jì)也有一定的指導(dǎo)意義：在氣量變化范圍內(nèi)，滿足工藝要求的前提下，調(diào)整匯管的尺寸、出氣管的位置，使得主要沉降區(qū)盡量處在第區(qū)。（2）臨界沉降速度與氣量的關(guān)系圖5 臨界沉降速度與氣量的關(guān)系據(jù)圖5知，臨界沉降速度隨氣量增加線性增大，且沉降區(qū)域越大，斜率越小。這說明，提高氣量來減少顆粒沉降在較小的沉降區(qū)比較有效，而在較大的沉降區(qū)則效果不明顯。因此，在設(shè)計(jì)匯管時(shí)應(yīng)盡量避免較大的沉降區(qū)的出現(xiàn)。五、生產(chǎn)實(shí)際中的幾個(gè)相關(guān)問題六、結(jié)論與建議通過合理假設(shè)與簡化，建立了輸氣站分離器前匯管中顆粒沉降的分析模型。利用該模型給出了顆粒在匯管中的沉降條件及沉降速度的確定方法，并以榕山輸氣站匯1為例進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果有：（1）在氣量變化范圍內(nèi)，滿足工藝要求的前提下，調(diào)整匯管的尺寸、出氣管的位置，使得主要沉降區(qū)盡量處