天然气管道减阻剂加注数值模拟与工艺研究

【摘要】：随着天然气在国际能源结构中所占比重的持续增长,其管道输送的高能耗问题也引起了广泛的关注,目前解决该问题的最好方法是使用减阻技术。对于天然气管道运输而言,减阻技术可方便地提高管道的输量,减小管道的压力降,节约能源,提高管道运行的安全系数等,越来越严峻的能源需求状况迫切需要天然气管道减阻技术得到突破性进展。本文在总结国内外研究现状及技术发展趋势的基础上,开展天然气管道减阻剂加注的数值模拟与工艺研究,着重探讨减阻剂加注工艺条件如雾化参数,气体流速,管径大小,减阻剂溶剂特性以及逆喷等对雾滴索泰尔平均直径SMD(Sauter Mean Diameter)及其在管壁上的吸附特性的影响,从而确定气体管道的最佳减阻工艺条件。建立简化的减阻剂加注物理模型,采用数值模拟的方法,先对整个气体管道的稳定流场进行模拟,得到收敛的气流场,再将减阻剂作为一系列离散相雾滴从入口喷嘴注入后进行耦合计算,分析不同工况下雾滴SMD及其在管壁上的吸附特性。同时对气体减阻剂加注工艺进行了优化,包括减阻剂的筛选,雾化喷嘴的选择,加注系统的安装以及加注量的计算。最后利用软件模拟参数对该加注工艺进行了减阻效果评价,分析了不同工艺参数对减阻性能影响的敏感性。研究发现:喷雾压差越大,喷嘴直径越小,所喷射出的雾滴粒径越小;喷雾流量越小,雾滴粒径的均匀度越好;喷射角度越大,减阻剂雾滴分散的越好,有时甚至考虑逆喷;气体流速和管径与雾滴的SMD没有直接关系,但会影响其在管壁上的吸附特性,气流速度越大,管径越大,雾滴越容易被携带至较远距离进行吸附;选取苯作为天然气减阻剂的溶剂既能保证减阻效果还不会造成管道的腐蚀。根据以上结论进行了气体减阻剂加注工艺的优化,给出了一套完善的减阻剂加注工艺流程,以模拟管段为例优化了其主要性能参数,并利用软件模拟参数对减阻性能作出评价,分析各影响因素的敏感性,对现场减阻工艺参数的确定有较高的参考价值。应用CFD软件对天然气管道减阻剂雾化加注过程的模拟是可行的。合理选择雾化参数,气体流速,管径大小,减阻剂溶剂等是保证天然气管道减阻剂减阻效果和减阻距离的关键因素。本文的模拟结果可为工程实际应用提供一定的理论指导。 【关键词】：天然气减阻剂 离散相模型 压力旋流雾化 数值模拟 加注工艺
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE869
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 课题研究的背景及意义10-12
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 研究内容15-16
• 1.4 本章小结16-17
• 第二章 天然气管道减阻剂加注理论分析17-24
• 2.1 天然气减阻剂的减阻机理17-21
• 2.1.1 天然气管道的水力摩阻分析17-18
• 2.1.2 天然气减阻剂作用机理18-21
• 2.2 雾化加注工艺21-23
• 2.3 本章小结23-24
• 第三章 天然气管道减阻剂加注模型与求解方法24-35
• 3.1 雾化加注模型24-32
• 3.1.1 Fluent软件简介24-25
• 3.1.2 UDF的使用方法25-26
• 3.1.3 物理模型26-29
• 3.1.4 数值模型29-32
• 3.2 网格划分32
• 3.3 控制方程的离散及其数值求解32-34
• 3.3.1 控制方程的离散32
• 3.3.2 有限体积法32-34
• 3.3.3 基于SIMPLE算法的数值计算34
• 3.4 本章小结34-35
• 第四章 雾化加注天然气减阻剂的数值模拟35-58
• 4.1 模型建立35-37
• 4.1.1 物理模型及网格划分35
• 4.1.2 数学模型35-37
• 4.2 数值模拟37-42
• 4.2.1 介质及物性参数37
• 4.2.2 求解方法及边界条件37-38
• 4.2.3 UDF编程修正38-41
• 4.2.4 模拟条件41
• 4.2.5 雾滴直径的统计方法41
• 4.2.6 雾滴吸附特性的评价方法41-42
• 4.3 模拟结果分析42-56
• 4.3.1 算法收敛性与网格无关性42
• 4.3.2 雾滴在管内的分布42-44
• 4.3.3 雾化参数对雾滴分布的影响44-48
• 4.3.4 气体流速对雾滴分布的影响48-50
• 4.3.5 管径对雾滴分布的影响50-53
• 4.3.6 溶剂对雾滴分布的影响53-55
• 4.3.7 逆喷对雾滴分布的影响55-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第五章 天然气管道减阻剂加注工艺优化58-70
• 5.1 减阻剂的筛选58-59
• 5.2 雾化喷嘴的选择59-60
• 5.3 加注系统的安装60-64
• 5.3.1 雾化喷嘴的固定形式60-61
• 5.3.2 雾化喷嘴的安装61-63
• 5.3.3 泵及控制系统63-64
• 5.3.4 改善喷嘴雾化的途径64
• 5.4 加注量的确定64-67
• 5.4.1 减阻剂浓度分布的计算65-66
• 5.4.2 减阻剂加注量的计算66-67
• 5.4.3 加注点的设置67
• 5.5 加注系统工艺流程67-69
• 5.6 本章小结69-70
• 第六章 减阻效果评价体系70-85
• 6.1 室内环道评价70-71
• 6.2 软件模拟评价71-83
• 6.2.1 不同喷雾压差的减阻效果评价71-73
• 6.2.2 不同喷雾流量的减阻效果评价73-76
• 6.2.3 不同喷嘴直径的减阻效果评价76-78
• 6.2.4 不同喷射角度的减阻效果评价78-80
• 6.2.5 不同气体管径的减阻效果评价80-83
• 6.3 工艺参数敏感性分析83-84
• 6.4 本章小结84-85
• 结论与建议85-87
• 结论85-86
• 建议86-87
• 参考文献87-90
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果90-91
• 致谢91

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