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為例對顆粒在匯管中的沉降條件及沉降速度進行了理論上的初步分析和計算，相關結論對輸氣站匯管的設計具有一定指導意義。關鍵詞：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)氣站常常對大型用戶供氣，匯管管徑都比

2、較大，氣流經(jīng)過時流速大大減緩，導致具有足夠直徑的顆粒沉降并沉積下來，嚴重的情況下，匯管變成了“臥式分離器”。例如，川渝管網(wǎng)某輸氣站的匯1，該匯管位于四臺管干式除塵分離器前，由于沒有設置注水孔及排污坑等原因，導致清除匯管中的污物存在較大困難。經(jīng)過多年的生產(chǎn)運行，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗判斷，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)今的匯管設計考慮了排污措施，該問題沒有引起足夠的重視，設計匯管及進出氣管規(guī)格、位置時常僅考慮流量、現(xiàn)場位置等因素，采用“匯管的截面積是進口或出口截面積的1·5倍”等經(jīng)驗

3、來確定1，然而，在生產(chǎn)實際中對匯管進行排污常常受到諸多制約條件，難以做到按計劃排污。因此，探討能否從優(yōu)化匯管設計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解決此類問題至關重要，它對如何采取措施減小發(fā)生沉降現(xiàn)象的程度和預測沉降量、判斷匯管生產(chǎn)狀態(tài)具有重要的參考價值。本文以某輸氣站匯1為例對顆粒在匯管中的沉降條件及沉降速度進行了理論上的初步分析和計算，所采用的方法對其它類似情形具有一定的借鑒意義。二、分析模型及沉降機理該輸氣站匯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，先對匯管中的氣流做如下假設和簡化：（1） 認為出氣管附近復雜的渦漩流動區(qū)

4、域的顆粒不發(fā)生沉降；（2） 認為除出氣管附近復雜的渦漩流動外其余各個截面上的氣流速度均勻同向；（3） 匯管左端截面至出氣管1管段內的氣體近似為“死氣”，無流動。但要考慮顆粒在濃差作用下的擴散，并認為這段“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)及自身條件。如圖所示，氣流從匯管右側進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沉降至匯管底部并沉積下來。因此，對于給定的區(qū)域和氣流速度，存在一個顆粒的臨界直徑dc（設顆粒密度不變），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，以一個合速度向B點運動并沉積于B點。對于匯1中的沉降問題，主要存在三個不同的沉降區(qū)域及氣流速度。在第區(qū)內流速為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)受力平衡可以導出顆粒沉降速度的計算式2。參照文獻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（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）當顆粒在氣流中平衡或作勻速運動時，應有如下條件： 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式。由于圍繞顆粒的流動為層流，Re2，阻力系數(shù)CD表達式中n=1，。于是，將其代入顆粒沉降的一般表達式中，最后可得到： （7）式中：Dm：顆粒直徑，m：粘度，cp；但是對于生產(chǎn)設施的設計，（7）式并不適用。可以用下列較為完善的阻力

8、系數(shù)公式來計算顆粒的沉降速度。 （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）轉至第2步，并迭代計算，直到算出來的w滿足要求為止。對于上述計算，采用vb語言編制程序來計算十分方便。2、dc的確定通過改變顆粒直徑，獲得不同的沉降速度。當顆粒直徑為dc時，沉降速度正好為wc。它表示：在該沉降速度下，處于A點的直徑為dc的顆粒降至底部時正好位于B點（圖3）。據(jù)此，計算步驟如下：（1）計算

9、wc解得，（2）利用前面沉降速度的計算方法，改變顆粒直徑，直到算出的沉降速度為wc。四、計算與分析1、計算參數(shù)匯管規(guī)格：720×18 進氣管線：630×14出氣管線：325×8 進氣流量：60100×104Nm3/d進氣壓力：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)：標態(tài)下相對密度取0.6 計算壓力溫度下的粘度取1.135×10-5Pa·s計算壓力溫度下的壓縮因子近似取12、計算結果及分析表1 不同進氣量下的wc、 dc進氣量(×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的顆粒實際沉降速度，w2、 w3同。不同進氣量下各沉降區(qū)的wc、 dc見表1 。（1）各沉

11、降區(qū)沉降特點分析根據(jù)表1的計算結果，對各沉降區(qū)的特點進行分析。第區(qū)： 由于輸氣站場管道內的天然氣所含的顆粒直徑一般都小于100m，因此，當氣量在50100×104Nm3/d時，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，也會由于第區(qū)的氣流沖擊速度還比較大（相對第區(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，直徑為60m及以上的顆粒將全部沉降。根據(jù)一般經(jīng)驗，相對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沉積下來。此后，在濃差的作用下，第區(qū)沒有沉降的顆粒會擴散到該區(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)要相對有利些。同時，由于第區(qū)處在匯管端部，沉積物對氣流在匯管中流通造成的不利影響也要小些。這一結論及本文采用的計算方法，對于顆粒含量較

13、大的輸氣站匯管的設計也有一定的指導意義：在氣量變化范圍內，滿足工藝要求的前提下，調整匯管的尺寸、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系圖5 臨界沉降速度與氣量的關系據(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，在設計匯管時應盡量避免較大的沉降區(qū)的出現(xiàn)。五、生產(chǎn)實際中的幾個相關問題六、結論與建議通過合理假設與簡化，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為例進行了計算。根據(jù)計算結果有：（1）在氣量變化范圍內，滿足工藝要求的前提下，調整匯管的尺寸、出氣管的位置，使得主要沉降區(qū)盡量處