基于CFD的缓冲罐粉料逸出研究

娄春景

(上海外高桥造船有限公司， 上海 200137)

基于CFD的缓冲罐粉料逸出研究

娄春景

(上海外高桥造船有限公司， 上海 200137)

该文利用CFD技术对钻井平台散料系统缓冲罐内的气固二相流流场进行分析，研究了水泥颗粒粒径和气流量对缓冲罐粉料逸出的影响。提出缓冲罐效率的概念，并对散料系统实际输送量进行计算，为散料系统的自主研发提供技术支持。

气固二相流； 粉尘污染； 气力输送

0 引言

散料输送系统工作时，利用高压气体将散料(水泥、重晶石等)流态化并带出储存罐，沿输送管道运抵缓冲罐后，部分散料随气流从排气口逸出，其余的散料沉积在缓冲罐内经出料口供应给用户，实际用户端的散料供应量应当是管道输送量减去排气口逸出量。以往的散料输送系统设计工作中主要关注管道输送能力却忽略了散料逸出问题。实际生产经验表明，排气口逸出的散料不仅影响用户端的散料供给，也对环境造成污染。结合某海工平台的散料输送系统设计，利用双流体模型对缓冲罐散料逸出现象进行研究，为散料输送系统的优化提供依据[1]。

1 气固二相流模型选择

散料输送系统设计的关键是掌握散料颗粒随气流运动的规律。随着计算机与数值计算方法的发展，计算流体力学(CFD)技术已被广泛应用于研究气体—固体颗粒二相流，其模型主要分为离散相模型(discrete particle model, DPM)和双流体模型(two fluid model, TFM)两种。

离散相模型是以流体为连续相，固体颗粒为离散相，分别使用欧拉和拉格朗日坐标描述流体与固体颗粒的运动。通过建立单个颗粒的运动方程，与连续相方程进行耦合求解。该方法理论上可以描述任何颗粒流问题，然而由于计算能力的限制，该方法目前能处理的颗粒数量与实际工业生产相差较大[2]。

双流体模型将离散的颗粒相看做一种假想的连续介质，即“拟流体”假设。该假设使颗粒相具备了与连续相相似的流体力学特性，能够应用流体的控制方程描述。Gidaspow在1986年首次提出双流体模型，并成功得预报了流化床的力学行为。

离散相模型和双流体模型分别从微观和宏观角度对气固二相流进行描述，两种模型的主要特点见表1。

表1 气固二相流模型特点

2 理论基础

该文所研究的是散料系统缓冲罐内气固二相流的特点，涉及到水泥粉的沉降与堆积过程。当发生水泥粉沉降和堆积后，缓冲罐内流场局部的气固相体积比预计最高可达60%，不能使用离散相模型，故选用双流体模型。

(1) 双流体模型的控制方程。

连续相：

颗粒相：

式中：ε为各相的体积分数；ρ为各相密度；U为速度；t为时间；x为位移；下标i、j代表直角空间坐标方向；下标g代表连续相；下标s代表颗粒相。

气固二相流中，连续相与颗粒相的体积分数和为1，即

(2) N-S方程。

连续相：

颗粒相：

N-S方程右端还应包括升力、附加质量等体积力，该文所研究的水泥缓冲罐气固二相流问题中，上述体积力是高阶小量，忽略不计。

3 缓冲罐内流场建模

该文以某自升式平台散料系统的缓冲罐为研究对象。罐体直径为2.1 m，高1.9 m，上半部分为柱形，下半部分为锥形，罐内流场如图1所示。气体携水泥粉料从输料管进入缓冲罐，经过入口正上方的罩帽后减速，大部分水泥粉料沉降在缓冲罐底部，气体带着少量水泥粉料从排气管离开缓冲罐。

图1 缓冲罐内流场

对缓冲罐内流场进行适度简化后建模，采用四面体网格对流域内进行网格划分。其中输料管、排气管和罩帽周围局部网格进行加密，并带有边界层，如图2、图3所示。

图2 缓冲罐内流场网格切面

图3 输料管与罩帽周围局部网格

该文研究水泥粉料在缓冲罐内的沉降和逸出，故罐内流场为非定常流。采用双流体模型模拟缓冲罐内的流动，气体为连续相，水泥粉料为颗粒相。排气口为压力出口条件，入口条件选择质量流入口条件。罐壁和罩帽为壁面条件，表面粗糙高度为0.2 mm。

4 粉料粒径对缓冲罐效率的影响

颗粒相的粒径d对于气固二相流流场分布有重要的影响。根据过筛结果，水泥粉料大部分的颗粒粒径在2 μm～50 μm之间，普通水泥的中位粒径为20 μm 左右，海洋工程所用的油井水泥中位粒径值更小[3]。

为研究水泥颗粒粒径对缓冲罐粉料逸出的影响，首先定义ηst为缓冲罐效率，即缓冲罐内实际留下散料的比重。

式中：qex为排气端排出的粉料流量；qmc为输料管的粉料输送能力，则散料系统实际输送量qst为管道输送能力乘以缓冲罐效率，即qst=ηstqmc。

其次，分别定义粒径d=10 μm和d=50 μm两种水泥粉料，考察相同工况下缓冲罐内气固二相流流场的CFD分析结果。根据散料系统的设计信息，缓冲罐的设计工况为：输料管气体流量qma=0.326 3 kg/s，水泥粉料流量qms=28.3 kg/s，排气管压强为1标准大气压。

CFD分析结果显示，水泥粉料粒径对缓冲罐效率ηst有明显影响。图4为设计工况下罐内d=10 μm的水泥粉料浓度云图，由图4可知，大量的水泥粉料被气流吹起并从排气口端带出。图5为设计工况下罐内d=50 μm的水泥粉料浓度云图，由图5可知，大部分水泥粉料沉积在罐底。

图4 设计工况下罐内10 μm 水泥粉料浓度云图

图5 设计工况下罐内50 μm水泥粉料浓度云图

5 气流量对缓冲罐效率以及散料系统实际输送量的影响

在第4节研究工作的基础上，进一步考察散料系统各工况不同气体体积流量qva下，缓冲罐效率ηst以及散料系统各工况的实际输送量qst。

选取四种水泥粉料样本，样本的粒径呈对数正态分布，平均粒径分别为dA=20 μm，dB=25 μm，dC=35 μm，dD=45 μm，粒径分布曲线如图6所示。

图6 样本粒径分布曲线

按照设计信息，散料系统各工况的气体体积流量和水泥粉料流量见表2。

表2 散料系统工况

利用CFD手段对各工况下缓冲罐的效率进行计算。计算结果显示，气流量qva越大，缓冲罐效率也越低。图7为各气流量下缓冲罐效率曲线。

图7 各工况缓冲罐效率曲线

结合表2及图7，绘制出散料系统的实际输送量曲线，如图8所示。可以看出：细粒径样本(A与B)虽然易于流化，但大量散料被气流从排气端带走导致实际输送量较少。粗粒径样本(C与D)虽然缓冲罐效率高，但同时也面临流化难、易堵塞管道等问题，钻井平台一般不选用。

实际工程中，钻井平台所用油井水泥粉末较细，散料系统的实际输送能力参考图8样本A和样本B的曲线。从图8可以看出：该平台散料系统的气体体积流量建议控制在17 m3/min ～22 m3/min，该工况下系统实际输送能力最大。如果增大气流量，虽然沿管道传输的水泥粉料流量增加，但从缓冲罐逸出的量也在增加，实际供应给用户端的输送量反而减少，并且排气中的粉尘污染会加剧。该结论与实际工程经验相符，可以为散料系统的自主设计研发提供技术支持。

图8 用户端实际输送量曲线

6 结论

该文以某自升式平台散料系统的缓冲罐为研究对象，对罐内气固二相流流场进行分析，考察了水泥粉料粒径、气流量对缓冲罐内流场的影响，特别关注了散料系统输送的水泥粉料从排气管逸出的问题。引入缓冲罐效率的概念，并对散料系统各工况的实际输送能力进行计算。计算发现，该自升式平台散料系统存在最佳的气流量区间(17 m3/min～22 m3/min)，进一步加大气流量并不能提升实际输送能力，反而会加剧排气粉尘污染。

[1] 赵忠杰, 赵守明.海洋石油工程船的粉状物料气力输送系统设计[J]. 中国海洋平台, 2004, 19(4):35-37.

[2] 李东耀.基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究[D].重庆：重庆大学, 2009.

[3] 王艳丽.水泥颗粒特征分布参数计算方法探讨[C].2012国内外水泥粉磨新技术交流大会暨展览会论文集, 2012.

Research of Particle Escaping of Bulk Cement Surge Tank Based on CFD

LOU Chun-jing

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd, Shanghai 200137, China)

In this paper, the gas-solid two-phase flow in the buffer tank of bulk handling system on drilling platform is analyzed by applying CFD. The effect of cement particle size and gas flow rate on the buffer tank powder escaping is studied. The concept of buffer tank efficiency is presented. And the actual output of bulk handling system is calculated. This research provides technical support for independent development of bulk handling systems.

gas-solid two-phase flow； dust pollution； pneumatic transportation

1001-4500(2016)06-0068-06

2015-12-05

娄春景(1975-)，男，高级工程师。

TE93

A