Дорошенко Юлія Іванівна
к.т.н., доцент
Івано-Франківський національний
технічний університет нафти і газу
Україна, м. Івано-Франківськ
Дорошенко Ярослав Васильович
к.т.н., доцент
Івано-Франківський національний
технічний університет нафти і газу
Україна, м. Івано-Франківськ
Лушпак Максим Тарасович
студент
Івано-Франківський національний
технічний університет нафти і газу
Україна, м. Івано-Франківськ
Анотація: Здійснено 3 D моделювання циклонного пиловловлювача компресорної станції, де відбувається складний рух газового потоку, зміна напряму потоку.
На основі програмних комплексів ANSYS Fluent, ANSYS CFX розроблена методика моделювання динаміки руху газу сепаратором. Математична модель базується на розв’язанні рівнянь Нав’є-Стокса і переносу енергії, замкнутих двопараметричною моделлю турбулентності Лаундера-Шарма з застосуванням пристінної функції з відповідними початковими і граничними умовами.
Досліджено структуру потоку сепаратором. Моделювання виконувалось для різних розмірів частинок забруднення та завантаженості сепаратора.
Результати моделювання були візуалізовані в постпроцесорах програмних комплексів побудовою ліній течії, полів модуля швидкостей та тиску на контурах і в повздовжніх і поперечних перерізах, заливки модуля швидкостей та тиску в внутрішній порожнині елементу. Визначались точні значення швидкості, тиску в різних точках на полях модуля швидкості та тиску. Такі результати відкривають можливості для повного і всебічного дослідження процесу очищення газу у циклонних сепараторах та розробки рекомендацій щодо їх енергоефетивної експлуатації.
Ключові слова: сепаратор, очищення, пиловловлювач, моделювання, двохфазний потік
Однією з найбільших проблем транспортування природного газу є його очистка. Починаючи із свердловин, газ завжди містить у собі деяку кількість вологи та механічних домішок, які значно погіршують його якість. Тому очищення природного газу від зайвих компонентів є важливим завданням для промисловості.
Один із основних способів очищення природного газу від пилу є циклонні сепаратори. Вони відловлюють масивні частинки пилу та крапельної вологи за рахунок інерційних сил, що створюються при закрученні потоку забрудненого газу.
Таке обладнання застосовується в основному на компресорних станціях для попереднього очищення природного газу перед поданням його в відцентрові нагнітачі.
У цій роботі було змодельовано потік забрудненого газу через циклонний сепаратор ГП-144, зображений на мал. 1.
Мал. 1 Сепаратор ГП-144
Сепаратор розрахований на пропускну здатність 20 млн. м3 газу та тиск 7,5 МПа. Такі сепаратори звичайно встановлюються на компресорних станціях України для вловлювання часток пилу та масла, що могли попасти в трубопровід із попередньої компресорної станції.
Двохфазний потік природного газу та твердих часток пилу було змодельовано із застосуванням ліцензійного програмного забезпечення ANSYS Fluent R18.1 Academic. У середовищі програми потік газу моделюється з допомогою аналітичного розв’язку рівняння Нав’є-Стокса (1) та рівняння непереривності (2)
Рух твердих частинок моделюється з допомогою так званої моделі Discrete Phase Model (DPM), у якій частинки вважаються дискретними сферами із масою та нульовим об’ємом. Рух кожної частинки вираховується із врахуванням сил, що діють з боку газової фази. Ця модель досить точно описує рух малих частинок, розмірами яких можна знехтувати, однак її не можна використовувати для моделювання фази із певним об’ємом. Для моделювання потоку пилу, розмір якого зазвичай досягає не більше к декілька десятків мікрометрів, ця модель цілком підходить.
Було створено трьохвимірну модель циклона у програмі SpaceClaim, що входить в пакет ANSYS та створено сітку моделі. В середовищі програми були задана модель DPM, а також так звана модель турбулентності к-епсилон для газового потоку, що базується на розв’язанні рівняння дисипації турбулентної енергії. Також в модель було включено рівняння енергії для врахування стисливості газу, тобто зміни його густини із зміною тиску.
Використання технологій CFD для моделювання різноманітних процесів все частіше використовується в усіх галузях промисловості і тому їм варто приділяти велику увагу. Використовування комп’ютерних симуляцій набагато дешевше ніж спорудження експериментальних зразків нового обладнання і проведення випробувань на них, і може значно скоротити кошти на розробку нового обладнання та моделювання нестандартних режимів роботи старого.
Для розрахунку програмі було задані необхідні дані про фізичні властивості компонентів та граничні умови. В якості газу було вибрано метан,в якості матеріалу твердої фази – антрацит. Було задано частинки різних діаметрів, від 1 до 100 мкм. Як граничні умови, була задана швидкість руху частинок на вході – 21 м/с та тиск на виході – 7460000 Па. Кількість ітерацій була задана 500, увесь розрахунок зайняв близько 5 годин.
Візуалізовані результати можна бачити на мал. 2.
Мал. 2 Візуалізовані треки руху частинок пилу
На рисунку зображені траєкторії руху твердих частинок, забарвлені у градієнт їхньої швидкості. Як видно із рисунку, частинки, входячи через вхідний патрубок, закручуються у циклонних елементах та спускаються в нижню камеру. Їх швидкості в цей момент падають практично до нуля і більшість з них залишаються в нижній секції сепаратора. Однак деякі частинки проходять через циклони і піднімаються уверх разом з очищеним газом.
Було порівняно роботу сепаратора із частинками різних діаметрів, в результаті чого було встановлено, що відносно частинок діаметрами 12-23 мкм ефективність апарата досягає 95-99%, в той час як менші частинки з діаметрами 1 мкм і менше вловлюються лише на 87-90%. Ці цифри є досить близькими до реальних номінальних показників сепаратора, що говорить про точність проведеного розрахунку.
Література:
1. ANSYS Fluent Theory Guide – ANSYS, Inc., 2016
