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天然气管道黑色粉末形成机理与运动规律模拟研究

郑达  
【摘要】:由于气源或内腐蚀等诸多原因,天然气管道中会不可避免地生成微小的固体颗粒,这些颗粒统称为黑色粉末,是一种近年来全球常见的管道污染问题。管道中黑色粉末的存在会造成天然气产品污染、管道磨损与腐蚀、设备破坏、输送效率降低和管道堵塞等诸多问题。全面而具体地认识黑色粉末,成为了应对这些问题的关键。本文围绕天然气管道中的黑色粉末展开研究,以形成机理和运动规律为重点,主要完成了以下工作:(1)基于大量的现场数据,对天然气管道黑色粉末的宏观特征和微观特征进行了总结。指出黑色粉末的生成量与输送规模(管道尺寸、介质流量)正相关,而相同条件下颗粒尺寸与介质流速负相关。基于黑色粉末样品成分分析结果,对黑色粉末的生成机理进行了分析,强调了天然气管道内大规模的全面腐蚀是生成大量黑色粉末的元凶,并提出了管内黑色粉末腐蚀加速理论。(2)颗粒粒度分布是描述黑色粉末的关键信息,也是研究黑色粉末运动规律的重要基础。本文选取了 7种气-固流场常用的粒度分布模型,从拟合优度和预测能力两个角度对其进行了评价。虽然各分布模型根据具体的应用环境都有各自的优越性和局限性,但针对天然气管道黑色粉末颗粒,综合两方面的评价结果,对数正态模型是相对较优的粒度分布模型。(3)根据水平管道中颗粒运移特征和气-固两相流动理论,对管道内的黑色粉末颗粒进行了受力分析。基于欧-拉法,使用标准k-ε模型和DPM模型对水平管道中的气-固两相流动进行了模拟,分析了不同粒径颗粒在管道中的运动规律。(4)基于现场实践,结合黑色粉末特点,对已实现工业应用的管道黑色粉末清除技术进行了总结分析。阐述了凝胶清管工艺在清除超大量黑色粉末方面的安全性和高效性。介绍了一种更适合清除天然气管道黑色粉末的涡流分离器。对现场的清管和过滤工程案例进行了分析。天然气管道黑色粉末问题研究在国内起步较晚,本文旨在立足于工业实践,开展覆盖整个黑色粉末生成-发展-运移-清除过程的研究,以期为黑色粉末问题的防治及处理技术提供参考。


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