LPG站集合管內空化現象分析

喬偉彪 馬貴陽

(1.中機國際工程設計研究院有限公司 華東分院，江蘇 南京 210042;2.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001)

0 引言

某石化公司到某液化氣公司只有兩條管道，需要輸送不同的介質到不同的儲罐，因此需要進行介質的匯集與分流，集合管起到了關鍵的作用[1]。在不同的工況下，壓力會隨著不同管徑的變化而變化。當壓力降低時，管中輸送的不同介質飽和蒸汽壓就有一部分要汽化，產生小氣泡，當這些小氣泡匯集到一起，由于撞擊潰滅時，在管中產生局部高壓和高溫[2－3]，對集合總管和各個支管造成了很大的局部應力變形，容易產生沙眼，如果巡檢人員不注意觀察的話，就會造成很嚴重的后果。因此研究集合總管內的流場以及流場的壓力分布、速度分布、汽化量的多少，這對于該液化氣公司操作人員來說具有至關重要的作用。

數值方法已經成為現在研究空化問題的比較常規的方法，因此文章通過相應的數值模擬軟件來研究集合管內的空化現象，通過分析集合管內的速度分布、汽化量、壓力分布等規律來為工程實踐提供一定的理論指導。

1 模型的建立

1.1 數學模型

液化石油氣在輸送過程中由于壓力的變化會產生氣核，這些氣核在流場內的分布是不均的而且是不可凝的，因此在建立數學模型時采用混合模型中的兩相流模型，同時因為小氣核不冷凝，所以氣－液兩相間的滑移速度不考慮，湍流模型采用k－ε模型，因此控制方程可表示如下[4－7]。

連續性方程

式中——單位質量的平均速度/kg·s－1;

ρm——氣 － 液兩相的混合密度/kg·m－3;——由氣穴導致的質量傳遞/kg。

動量方程

式中n——相數;

μm——混合物的粘度/Pa.s;

αk——第k相的體積分數;

——體積力/N;

ρk——第k相的密度/kg·m－3。

空化時氣相的輸運方程

式中f——各相的質量占有率;

V——速度矢量;

Γ——有效變換系數;

PC1——氣泡的膨脹相變率;

PC2——氣泡的壓縮破裂相變率;

fV——氣相的質量分數。

湍流脈動方程(k方程)

湍流耗散方程(ε方程)

式中GK——平均速度梯度引起的湍動能k的產生項;

Gb——浮力引起的湍動能k的產生項;

YM——可壓縮湍流中脈動擴張貢獻;

μt——湍流粘度;

ui、uj——時均速度;

k——湍流動能;

ε——湍流耗散率;

ρ——流體密度;

σk、σε——為k和 ε 方程的湍流 Prandtl數;

C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=1，Cμ=0.09 為經驗常數。

1.2 物理模型及邊界條件的設定

以撫順市液化氣公司的集合總管為例進行數值模擬研究。數值模擬的物理模型由三個部分組成分別是六個焊縫、集合總管、三個支管出口。物理模型見圖1。六個焊縫的大小采用50 mm×50 mm的規格，集合總管的豎向長度設為760 mm，三條支管出口的長度全部設為200 mm，而且各相鄰各支管間的距離為130 mm。集合管應用三角形網格進行劃分且各節點間的距離為0.001、同時六個焊縫處也進行同樣的處理，由計算結果可知這種對計算區域的處理能夠滿足模擬精度的要求[8－9]。圖2給出了與集合管相連的中間支管的網格放大圖。在進行數值模擬研究時，采用二階迎風格式對控制方程進行離散處理，且在求解器中殘差曲線的精度設為0.001。模擬的邊界條件設定為壓力入口以及壓力出口[10－11]。

圖1 集合管三維物理模型沿Z軸切面圖

圖2 模擬計算區域網格局部放大圖

2 數值模擬及結果分析

2.1 不同的入口壓力對集合管內空化的影響

圖3表示在相同的出口壓力以及不同入口壓力下，中間支管的氣相體積分數分布云圖。分析圖3可知隨著入口壓力的增加，空化率逐漸增加且體積分數的峰值逐漸右移，空化核心區的氣含率也隨著增大，在出口壓力一定時，空化強度隨著入口壓力的增加而增加;圖4表示在相同的出口壓力以及不同入口壓力下，中間管路的壓力分布云圖，分析圖4可知，中間支管的壓力分布逐漸降低，因此這一部分LPG汽化，形成許多不可凝的小氣核，所以形成了圖3所示的空化區。

2.2 不同的出口壓力對集合管內的空化影響

圖5表示在不同的出口壓力下，氣相體積分布云圖。分析圖5可以看出空化區主要集中的管壁處，這是因為當LPG液體流經中間管路時，主要是撞擊到管壁上的液體分子的能量降低，導致壓力和速度都降低，所以在管壁的兩側的壓力要低于LPG液體的飽和蒸汽壓，所以空化區域集中在管壁處，且隨著出口壓力的逐漸降低，中間管路的空化面積逐漸增加;圖6表示在不同的出口壓力下，中間管路湍動能分布云圖，分析圖6可知在焊縫處的湍動能由小變大。

圖3 氣相體積分數分布云圖

圖4 中間管路壓力分布云圖

圖5 氣相體積分數分布云圖

圖6 中間管路湍動能分布云圖

2.3 不同的支管管徑對集合管的空化影響

圖7表示在不同支管管徑的情況下，氣相體積分數分布云圖。分析圖7可知當支管管徑為200 mm時，主要的空化區域為管道上壁內側，而下部產生的氣核則很少，這主要是因為上部的大部分氣體分子的能量都很低，與管壁所致;當管徑是150 mm時，管道上壁內側和下壁內側產生的氣核差別不大，空化數基本相等，這主要是因為液化石油氣在這個支管上能量很低的氣體分子很少，也就是說管徑的變化成為主要因素，其他的影響因素不大;當管徑是90 mm時，由于管道下壁內側分子要受到管壁的撞擊，所以能量會降低，因此管道下壁內側空化數會多;圖8表示在不同支管管徑的情況下，系統的氣相體積分數分布散點圖，分析圖8可知空化區域主要集中在0.25 m到0.45 m之間，這是因為在這段管道上，壓力低，汽化所需要的能量多。

圖7 氣相體積分數分布云圖

圖8 氣相體積分數散點圖

3 結論

在其它條件不變的情況下，入口壓力越高，空化數越小，氣含率越高，湍動能越高;在其它條件不變的情況下，出口壓力越高，空化數越大，氣含率越低，湍動能就越低;在其他條件不變的情況下，管道的管徑越大，空化強度越高，空化數越小，氣含率越高，湍動能越高。因此在液化石油氣的輸送過程中，應該盡量避免出現上述的情況，應該盡量避免空化現象的發生，可使管線使用壽命增加。

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