敬佩瑜,鄭思佳,張帥,唐超,段林林,付斌
(1 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院,四川 成都 610500;2 中國(guó)石油西南油氣田分公司集輸工程技術(shù)研究所,四川 成都 610000;3 國(guó)家油氣管網(wǎng)公司調(diào)控中心,北京100027;4 中國(guó)石油西南油氣田公司燃?xì)夥止荆拇?成都 611500;5 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津300452)
為進(jìn)一步脫除微小的粉塵顆粒,當(dāng)凈化氣管網(wǎng)中的天然氣流向下游燃?xì)夤芫W(wǎng)時(shí)往往需要設(shè)置過(guò)濾分離器[1],氣體流經(jīng)過(guò)濾分離器時(shí)必將發(fā)生一定的壓力損失,即壓降。作為主要評(píng)價(jià)參數(shù),壓降的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程能反映過(guò)濾分離器的剩余壽命[2-4],但如何通過(guò)壓降來(lái)評(píng)價(jià)過(guò)濾分離器的除塵效率和工作狀況,亟待深入研究[5]。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題開展了廣泛的研究,Azam 等[6]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,考察了不同濾材動(dòng)態(tài)壓降和分離效率間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)壓降隨床層厚度增加呈升高趨勢(shì),當(dāng)孔隙率減小到75%時(shí),會(huì)導(dǎo)致壓降的陡然升高。劉震等[7]采用高壓天然氣粉塵在線檢測(cè)裝置,定期監(jiān)測(cè)某高含硫氣田過(guò)濾分離器的除塵效率,發(fā)現(xiàn)在使用時(shí)間達(dá)到總使用壽命1/3時(shí),除塵效率和壓降突然以指數(shù)倍逐漸升高[8]。Lim 等[9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)濾材孔隙率減小到原孔隙率的50%后,壓降和除塵效率增加30%。Song 等[10]明確了濾芯除塵效率、壓降和粉塵捕集量之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉塵在濾芯纖維上形成一種“鏈狀結(jié)構(gòu)”時(shí),粉塵捕集效率會(huì)增加3~5 倍,但這種“鏈狀結(jié)構(gòu)”的含量往往影響濾芯使用壽命。Riefler 等[11]實(shí)驗(yàn)擬合得到了濾芯捕集質(zhì)量與除塵效率間的二次冪關(guān)系。Thomas等[12-13]則驗(yàn)證了這種二次冪關(guān)系是普遍存在的。Bourrous 等[14]明確了過(guò)濾分離器的壓降與流量之間是一種線性關(guān)系,這種關(guān)系的斜率k在0.2~0.5 之間。Feng 等[15]采用二維模型對(duì)粉塵流過(guò)濾芯的過(guò)程開展了計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)模擬,發(fā)現(xiàn)濾芯的壓降與流量呈正比。
國(guó)內(nèi)外已有的評(píng)價(jià)方法大多基于室內(nèi)試驗(yàn)展開,其在輸氣站場(chǎng)應(yīng)用的可靠性還未見(jiàn)報(bào)道。2016年劉震等[16]認(rèn)為氣田大量輸氣站場(chǎng)過(guò)濾分離器仍存在使用壽命、使用效果難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的問(wèn)題,2020年在西南某氣田的輸氣站場(chǎng)中這一問(wèn)題仍然廣泛存在。因此,如何將試驗(yàn)和CFD 方法得到的數(shù)據(jù)應(yīng)用在輸氣站場(chǎng)過(guò)濾分離器評(píng)價(jià)上,還需要進(jìn)一步研究。為此,以輸氣站場(chǎng)過(guò)濾分離器為研究對(duì)象,采用粉塵在線檢測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,考察壓降、除塵效率在不同運(yùn)行壓力下的變化特性以及隨運(yùn)行時(shí)間的變化過(guò)程,研究結(jié)果可有效評(píng)價(jià)過(guò)濾分離器的除塵效率和工作狀況。
(1)原理和結(jié)構(gòu) 輸氣站場(chǎng)過(guò)濾分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流動(dòng)方向如圖1所示,在聚結(jié)腔內(nèi)29根濾芯整齊排列見(jiàn)圖1(a),其入口與出口管徑、濾芯長(zhǎng)度等基礎(chǔ)尺寸見(jiàn)圖1(b)。攜帶粉塵的氣體從入口管道流入過(guò)濾分離器聚結(jié)腔內(nèi),通過(guò)濾芯的聚結(jié)作用,粉塵顆粒被脫除,通過(guò)氣體收集腔經(jīng)出口管道流出分離過(guò)濾器,如圖1(c)所示。
圖1 過(guò)濾分離器的結(jié)構(gòu)、尺寸和原理
(2)分離過(guò)濾器參數(shù) 分離過(guò)濾器內(nèi)濾芯長(zhǎng)1200mm、外徑114mm、內(nèi)徑96mm,材料為聚乙烯纖維,操作溫度在-5~115℃之間。單根濾芯的過(guò)濾區(qū)域?yàn)?.98m2,設(shè)計(jì)的除塵效率是除去99%的粒徑大于5μm的粉塵,如表1所示。
表1 濾芯及分離過(guò)濾器技術(shù)參數(shù)
(1)檢測(cè)原理和方法 為考察分離過(guò)濾器的除塵特性,采用中國(guó)石油大學(xué)(北京)研發(fā)的高壓天然氣管道內(nèi)粉塵檢測(cè)裝置,檢測(cè)三個(gè)輸氣站場(chǎng)流入(上游)與流出(下游)過(guò)濾分離器的粉塵濃度,進(jìn)而通過(guò)式(1)計(jì)算除塵效率。該裝置由采樣系統(tǒng)、粒子分析系統(tǒng)、減壓放空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四部分組成[17-18],檢測(cè)流程及原理如圖2 所示。采樣系統(tǒng)①可在高壓下獲得攜帶粉塵的流動(dòng)氣體;粒子分析系統(tǒng)②主要用于粉塵顆粒濃度分析,主要設(shè)備為德國(guó)Palas 公司的Welas3000 型氣溶膠粒徑譜儀與Prostar型顆粒物在線檢測(cè)裝置;減壓放空系統(tǒng)③由減壓閥與放空管組成;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)④則是數(shù)據(jù)處理模塊[19]。
圖2 高壓天然氣管道內(nèi)粉塵檢測(cè)流程
式中,CV,out與CV,in為出口和進(jìn)口粉塵濃度,直接由Welas光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器讀出,μm3/m3。
(2)在線檢測(cè)條件 主要考察對(duì)象為三個(gè)輸氣站場(chǎng)的臥式過(guò)濾分離器F-1、F-2 與F-3,它們的進(jìn)站壓力依次為2.5MPa、3.5MPa 與4.5MPa,如表2所示。取樣分析表明粉塵顆粒呈無(wú)規(guī)則狀,粒徑在3~50μm 之間,呈正態(tài)分布,其形狀如圖3(a)所示。上游來(lái)氣的粉塵濃度約100μg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)。各站在1年內(nèi)的月平均日輸量(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)在150×104~400×104m3/d之間,如圖3(b)所示,在各自運(yùn)行壓力下,三臺(tái)過(guò)濾分離器的氣體密度為20.54kg/m3、28.76kg/m3與36.98kg/m3,相應(yīng)工況輸量(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)在14.7×104~39.4×104m3/d 之間,相應(yīng)入口流速分別為8.2~23.4m/s、5.7~16.3m/s 與4.4~12.4m/s。
表2 在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)條件
由圖3(b)可知,各分離過(guò)濾器流量負(fù)荷在冬天較大,夏天較小,其累計(jì)輸量相差不大。為考察分離過(guò)濾器的除塵效率,分別在濾芯安裝投產(chǎn)1個(gè)月內(nèi)(0 年)、運(yùn)行0.5 年和1 年后在線檢測(cè)各站過(guò)濾分離器的除塵效率。
圖3 粉塵結(jié)構(gòu)和F-1、F-2與F-3月平均日輸量
除檢測(cè)過(guò)濾分離的除塵效率外,還跟蹤三臺(tái)過(guò)濾分離器流量、運(yùn)行壓力與溫度等參數(shù),記錄頻率為每周2次,持續(xù)時(shí)間為1年,以獲得分離過(guò)濾器壓降隨輸量的變化特性。
粉塵流動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬主要采用歐拉-歐拉方法,其中,不同的相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)。由于一種相所占的體積無(wú)法再被其他相占有,故引入相體積率(phasic volume fraction)的概念。相體積率是時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù),各相的體積率之和等于1。氣固兩相按照體積分?jǐn)?shù)分別求解瞬態(tài)連續(xù)性方程(對(duì)每一相分別求解)[式(2)]、動(dòng)量方程(對(duì)每一相分別求解)[式(3)][20]。
式中,Ps為顆粒相傳導(dǎo)進(jìn)入連續(xù)相的壓力,主要存在于流體域與壁面邊界[式(5)]。
式中,ω為顆粒流的動(dòng)量傳質(zhì)[式(6)]。
式中,g0(αs)為顆粒的徑向分布方程,主要用于修正顆粒碰撞的概率[式(7)]。
式中,μk為由顆粒碰撞和平動(dòng)產(chǎn)生的剪切黏度[式(8)]。
式中,由顆粒碰撞產(chǎn)生的剪切黏度為式(9)。
由顆粒平動(dòng)產(chǎn)生的剪切黏度為式(10)。
式(4)中的λs為表征固相體積膨脹的體積黏度[式(11)]。
式中,αs為顆粒相體積分?jǐn)?shù);es為彈性系數(shù);ds為顆粒粒徑。系數(shù)η可表示為式(12)。
式(3)右側(cè)FD為氣相與固相之間的曳力,如式(13)、式(14)。
式中,Cd為單顆粒曳力系數(shù);Rep為顆粒雷諾數(shù);dp為顆粒直徑;αk為各相體積分?jǐn)?shù);up為固相流速。將Schiller and Naumann[21]曳力系數(shù)模型引入進(jìn)FD中[式(15)]。
式中,F(xiàn)L為氣相施加給固相的舉升力,如式(16)~式(20)。
式中,Resi為剪切流中的雷諾數(shù);CL為Saffman舉升力系數(shù);Fvm為虛擬質(zhì)量力。
為計(jì)算分離過(guò)濾器濾芯聚結(jié)過(guò)程,在原動(dòng)量方程右側(cè)加入以下源項(xiàng)[式(21)~式(23)][22]。
式中,Si為i方向上的源項(xiàng);vs為顆粒的速度向量,方程右側(cè)第一項(xiàng)為達(dá)西流動(dòng)項(xiàng),方程右側(cè)第二項(xiàng)為慣性阻力項(xiàng)。該源項(xiàng)會(huì)引起過(guò)濾單元內(nèi)壓力梯度變化,進(jìn)而引起粉塵速度的變化,實(shí)現(xiàn)粉塵在濾芯上聚結(jié)的效果,a為滲透率,C2為慣性阻力系數(shù),慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)可以通過(guò)壓降和流速關(guān)系來(lái)獲得,如式(24)。
擬合所得初始?jí)航岛土魉訇P(guān)系如表3所示,擬合曲線R2在0.98左右,如圖6中黑線曲線,在擬合過(guò)程中,A與B的值均應(yīng)大于0。黏性阻力VR黏性阻力和慣性阻力IR慣性阻力可表達(dá)為式(25)和式(26),其值見(jiàn)表3。
表3 慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)
上述方程中各個(gè)參數(shù)的取值如表4所示,將表4中取值代入可求得各方程的解。
表4 基本參數(shù)及數(shù)據(jù)來(lái)源
分離過(guò)濾器采用混合網(wǎng)格劃分如圖4所示,共劃分51 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格,非結(jié)構(gòu)化(分離過(guò)濾器殼體)約40 萬(wàn)個(gè),結(jié)構(gòu)化(分離過(guò)濾器濾芯)11 萬(wàn)個(gè),湍動(dòng)能和湍流耗散率分別由5%的湍流強(qiáng)度和10%的入口混合長(zhǎng)度獲得。由于分離過(guò)濾器壓降最大只有數(shù)十千帕,與數(shù)十兆帕的出口壓力有2~3個(gè)數(shù)量級(jí)之差,故出口壓力設(shè)定為與入口壓力相同。SIMPLE 算法用于計(jì)算各相流速和壓力降。一階迎風(fēng)算法用于各相動(dòng)量方程計(jì)算,二階迎風(fēng)算法用于湍動(dòng)能和湍流擴(kuò)散率的計(jì)算。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為10-4s,根據(jù)質(zhì)量守恒,收斂依據(jù)為:入口粉塵質(zhì)量流量-出口粉塵質(zhì)量流量=捕集粉塵質(zhì)量/運(yùn)行時(shí)間,運(yùn)算步數(shù)為2×105步。在收斂后可通過(guò)增加步長(zhǎng)的方法,完成擬運(yùn)行時(shí)間為1年時(shí)的工況。
圖4 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分
模型的求解過(guò)程如圖5所示,首先對(duì)過(guò)濾分離器進(jìn)行物理建模,再分別求解氣-固兩相連續(xù)性方程、動(dòng)量方程與本構(gòu)方程。由此得達(dá)西流動(dòng)項(xiàng)與慣性阻力項(xiàng),進(jìn)而得氣固兩相流場(chǎng)分布和濾芯聚結(jié)過(guò)程。粉塵顆粒粒徑分布通過(guò)UDF (user defined function)中的宏DEFINE_PROPERTY 編譯在第二相的顆粒粒徑中。
圖5 模型的求解
安恩科等[25]認(rèn)為對(duì)于同一模型,網(wǎng)格數(shù)目小時(shí),計(jì)算容易收斂,而計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)目有關(guān);網(wǎng)格數(shù)目大時(shí),計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)目無(wú)關(guān),計(jì)算不容易收斂。因此,需要對(duì)模型中的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算以F-2分離過(guò)濾器為研究對(duì)象,共劃分4 面 體 網(wǎng)格6 組,分別為21 萬(wàn)、31 萬(wàn)、41 萬(wàn)、51萬(wàn)、61 萬(wàn)與71 萬(wàn)。所有網(wǎng)格扭曲度在0~0.4 之間,網(wǎng)格質(zhì)量良好。
圖6為分離過(guò)濾器F-2在21萬(wàn)、31萬(wàn)、41萬(wàn)、51萬(wàn)、61萬(wàn)與71萬(wàn)網(wǎng)格下運(yùn)行0.5s時(shí)顆粒相流動(dòng)的傳質(zhì)過(guò)程,可見(jiàn)這些不同網(wǎng)格模型下收斂解的趨勢(shì)相同,但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在21萬(wàn)~41萬(wàn)時(shí),傳質(zhì)過(guò)程存在一定差異,但當(dāng)網(wǎng)格輸量從51萬(wàn)增大到71萬(wàn)時(shí),傳質(zhì)過(guò)程基本相同,因此,確定網(wǎng)格數(shù)量在51萬(wàn)時(shí)傳質(zhì)過(guò)程即可達(dá)到穩(wěn)定,同時(shí)網(wǎng)格數(shù)量最小。
圖6 分離過(guò)濾器F-2在不同網(wǎng)格數(shù)量下運(yùn)行0.5s時(shí)顆粒相流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程
圖7為不同網(wǎng)格數(shù)量下運(yùn)行時(shí)間11s時(shí)分離過(guò)濾器出口粉塵體積濃度的變化,由此發(fā)現(xiàn),只有當(dāng)網(wǎng)格輸量大于51萬(wàn)時(shí),出口粉塵體積濃度才趨于穩(wěn)定。
圖7 不同網(wǎng)格數(shù)量下運(yùn)行11s時(shí)分離過(guò)濾器出口粉塵體積濃度的變化
綜上所述,采用粉塵傳質(zhì)隨網(wǎng)格數(shù)量變化趨勢(shì),與采用出口濃度隨迭代步數(shù)變化判定網(wǎng)格收斂性的結(jié)果是一致的。因此,確定計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量為51萬(wàn)是合適的。
記錄各分離過(guò)濾器在更換濾芯后首月的壓降、流量數(shù)據(jù),整理后可見(jiàn)壓降與流量之間的關(guān)系,如圖8 所示。F-3 在標(biāo)況輸量150×104~400×104m3/d 下的壓降最低,F(xiàn)-1 最高,因?yàn)樵谙嗤瑯?biāo)況流量下,操作壓力越低,工況流速越快,受到的局部阻力越大。
對(duì)比實(shí)驗(yàn)與CFD 計(jì)算結(jié)果,可見(jiàn)CFD 計(jì)算值小于初始?jí)航档臄M合曲線,這是因?yàn)檫^(guò)濾分離器實(shí)際運(yùn)行時(shí)粉塵顆粒往往是一股一股地進(jìn)入濾芯纖維,再通過(guò)尋找濾材中薄弱的孔隙流出[11],這會(huì)對(duì)壓降產(chǎn)生擾動(dòng),結(jié)果一方面增大壓力監(jiān)測(cè)裝置的誤差,另一方面使壓降緩慢降低。
然而,CFD 無(wú)法描述實(shí)際流動(dòng)中顆?!皩ふ摇崩w維薄弱處的過(guò)程,根據(jù)源項(xiàng)式(21)的設(shè)定,只能線性描述一定濾芯的阻力特性[6]。由模擬結(jié)果可知,誤差隨運(yùn)行流量增大而增加,但最大誤差仍可控制在20%以內(nèi),這表明CFD 方法可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)過(guò)濾分離器的初始?jí)航担ㄟ\(yùn)行時(shí)間1個(gè)月)。
圖9所示為三臺(tái)過(guò)濾分離器在運(yùn)行時(shí)間t=0年、t=0.5 年與t=1.0 年時(shí)的壓降情況,其中t=0 年時(shí)各過(guò)濾分離器的初始?jí)航担ǜ鼡Q濾芯首月)與圖8中黑點(diǎn)數(shù)據(jù)相同。可見(jiàn)隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)與濾芯粉塵聚結(jié)量的增加,檢測(cè)壓降點(diǎn)將不斷偏離擬合的最優(yōu)二次曲線,R2會(huì)越來(lái)越小,而操作壓力較低的F-1 與F-3 的壓降增速則更低,這主要是因?yàn)镕-3的流速低,而流速越低,在相同摩阻系數(shù)下的阻力越小。
圖8 新濾芯安裝后首月內(nèi)壓降表讀數(shù)與CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比
圖9 各分離過(guò)濾器檢測(cè)壓降隨時(shí)間的變化
圖10 為CFD 數(shù)值模擬結(jié)果,沿程壓降隨計(jì)算時(shí)間呈增大趨勢(shì),與圖9 中實(shí)際運(yùn)行下的壓降相比,CFD計(jì)算誤差均小于20%??梢?jiàn),雖然僅使用初始?jí)航底鳛槟M的初始條件,但由于聚結(jié)腔內(nèi)粉塵的增多,模擬結(jié)果仍可反映分離過(guò)濾器壓降隨時(shí)間的變化過(guò)程。
圖10 CFD模擬壓降隨時(shí)間的變化
圖11 各分離過(guò)濾器除塵效率隨時(shí)間的變化
圖12 不同壓力下運(yùn)行1年后濾芯表面被破壞程度
圖13中紅色柱狀圖為CFD計(jì)算所得除塵效率,F(xiàn)-1的平均除塵效率在t=0年、t=0.5年與t=1.0年下的計(jì)算值分別為75%、59%與49%,其模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)的誤差分別為18%、19%和20%;對(duì)F-2相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果依次為80%、69%與60%,而相應(yīng)誤差分別為13%、19%和20%;對(duì)F-3相應(yīng)的計(jì)算值分別為88%、75%與68%,相應(yīng)誤差為4%、14%和16%,這在一定程度上反映了過(guò)濾分離器的除塵效率隨時(shí)間的變化。
圖14為圖13中過(guò)濾分離器F-1初始10s內(nèi)粉塵流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程,初始時(shí)刻上游粉塵體積分?jǐn)?shù)為100%[見(jiàn)圖14(a)],下游為30%[見(jiàn)圖14(b)],除塵效率約為70%。粉塵在0 時(shí)刻進(jìn)入過(guò)濾分離器,在0.1s 時(shí)將在距離入口處最近的濾芯上聚結(jié),在10s后達(dá)到粉塵流動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡。隨后粉塵在湍流作用下經(jīng)過(guò)復(fù)雜流動(dòng)后才通過(guò)濾芯聚結(jié),最終進(jìn)入收集腔,因此聚結(jié)腔遠(yuǎn)端粉塵的濃度高于聚結(jié)腔入口和出口的濃度。
圖13 分離過(guò)濾器除塵效率隨時(shí)間變化的模擬結(jié)果
圖14 粉塵流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程
圖15 中F-3 內(nèi)的壓力大多集中在過(guò)濾分離器入口一側(cè),與F-1和F-2不同的是,其壓力并沒(méi)有快速釋放,并形成高流速區(qū)。由圖16 可知,隨著運(yùn)行壓力的升高,濾芯表面的流速反而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì),從14m/s 降到8m/s 左右,這也表明前述F-1 的除塵效率降低最快的事實(shí)與該處流速升高、粉塵顆粒過(guò)快穿過(guò)濾芯有關(guān)。圖16 中濾芯表面流速較高的區(qū)域均位于過(guò)濾分離器聚結(jié)腔和收集腔之間緊密連接的部位,這與圖12(c)所示的過(guò)濾分離器中卸出的濾芯破損位置一致。
圖15 粉塵在濾芯表面的壓力分布
圖16 粉塵在濾芯表面的流速分布
通過(guò)對(duì)比打開輸氣站場(chǎng)實(shí)際過(guò)濾分離器收集粉塵量即除塵量的方法,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和CFD 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。過(guò)濾分離器收集到的粉塵顆粒在濾芯更換時(shí)將被完全清出,然后用20kg 的桶來(lái)計(jì)量其數(shù)量,再減去注入水的質(zhì)量(為防止打開作業(yè)時(shí)粉塵飛揚(yáng),用5kg 的桶注水共22 桶),由此可得實(shí)際除塵量。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到的除塵量應(yīng)等于進(jìn)入過(guò)濾分離器前的粉塵濃度φparticle、氣體體積流量Vflowrate、運(yùn)行時(shí)間toperation之積,再乘以除塵效率ηefficiency。由于1年聚結(jié)過(guò)程中的除塵效率降低過(guò)程不確定,故采用3 次檢測(cè)(0 年,0.5 年,1 年)后的平均除塵效率作為ηefficiency,如式(27)所示。
圖17(b)反映了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、實(shí)測(cè)與CFD 預(yù)測(cè)三種方法所得的除塵量對(duì)比,可見(jiàn)F-1、F-2 與F-3實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際的誤差依次為4%、10%與15%,而CFD模擬結(jié)果一般高于實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果,三臺(tái)過(guò)濾分離器的模擬結(jié)果與實(shí)際的誤差分別為12%、14%與11%。此外,在打開過(guò)濾分離器開時(shí),發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端盲板處粉塵大量流出,如圖17(a),這與圖14 中的模擬結(jié)果一致,再次證實(shí)CFD 預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。
圖17 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證
(1)在相同標(biāo)況流量下,操作壓力越低,流速越快,過(guò)濾分離器的局部阻力越大,壓降越高,CFD方法可有效預(yù)測(cè)這一變化過(guò)程。
(2)隨著運(yùn)行時(shí)間的延續(xù),過(guò)濾分離器的壓降將逐漸偏離擬合的最優(yōu)二次曲線,其除塵效率也將不斷降低,運(yùn)行壓力較低時(shí)下降更快。
(3)CFD模擬與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)所得過(guò)濾分離器的除塵效率可有效反映其實(shí)際性能,二者的誤差均在20%以內(nèi),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際除塵量進(jìn)一步證實(shí)兩種方法的準(zhǔn)確性與可靠性。
(4)通過(guò)在流體力學(xué)經(jīng)典模型中加入初始?jí)航?流速源項(xiàng),可基于數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)濾芯效果評(píng)價(jià),為輸氣站場(chǎng)濾芯的更換提供有力依據(jù)。為了更準(zhǔn)確地描述顆粒的捕集過(guò)程,進(jìn)一步研究應(yīng)考慮濾芯物性同顆粒粒徑、濾芯壓降與操作流量間的非穩(wěn)態(tài)關(guān)系等源項(xiàng)。