水煤浆参数对输送弯管冲蚀磨损影响分析.pdf

针对水煤浆气化炉进料弯管面临的固液两相流冲蚀磨损导致的穿孔失效问题，以进料输送弯管为研究对象，水煤浆主要参数（流速 v、煤粉直径 dp、煤粉质量流量 qm）为变量，采用 CFD-DPM 耦合方法开展主要参数对冲蚀磨损速率影响的单变量数值模拟，使用响应曲面法进行多因素交互作用下对弯管冲蚀磨损速率影响显著程度分析并对水煤浆主要参数做出优化。研究表明，弯管的冲蚀磨损现象集中在弯管轴向 80 90，且一般不随影响因素改变而移动。从单变量模拟结果来看，煤粉直径对冲蚀磨损速率的影响远远小于其他因素的影响；经响应曲面法分析，介质流速对冲蚀磨损速率影响最为显著；在介质流速 v 为 20 m/s，煤粉质量流量 qm为 0.5 kg/s，煤粉直径 dp为 0.8 mm 条件下，输送弯管冲蚀磨损速率最小。关键词：两相流；冲蚀磨损；数值模拟；响应面法；参数优化中图分类号：TQ 021.1 文献标志码：A 文章编号：1009-3281（2023）04-0089-008收稿日期：2023-01-03基金项目：国家自然科学基金（21766034）“多场耦合煤制天然气甲烷化多尺度模拟与过程强化研究”。作者简介：王硕（1996），男，硕士研究生，研究方向为多相流冲蚀磨损与防护研究。通讯作者：张亚新（1964），男，博士，教授。长期从事化工过程与设备数值模拟研究。E-mail:。发展煤化工产业是我国解决能源缺口，调整能源结构的重要举措 1，我国自“十五”计划开始的多个五年计划都涉及煤化工产业发展 2-3，其中水煤浆（CWS）气化技术是煤化工产业的一项关键技术 4-5，核心装备水煤浆气化炉的水煤浆进料管道，是输送原料介质的关键设备之一。在装置运行过程中，冲蚀磨损导致管道局部减薄甚至穿孔失效，已经成为影响设备安全运行的重要隐患 6。水煤浆输送管道内主要输送介质为煤粉与水组成的固液两相流，国内外学者针对固液两相流冲蚀磨损问题开展了大量研究，白莉等 7通过管路试验装置分析了颗粒性质对 X80 钢弯管冲蚀磨损率的影响，经分析，弯管的主要损伤特征是弯头外拱壁的冲蚀率高于内拱壁，两侧壁面的质量损失率介于内外壁之间，其中弯管外侧冲蚀磨损由直接冲击造成，而两侧壁面冲蚀磨损由二次流剪切作用造成。王志杰等 8采用喷嘴式实验装置对 Q345 钢材开展了变参数冲蚀实验研究，经分析冲蚀后的试样，发现大粒径颗粒具有较大惯性力，所产生的冲蚀磨损量更高，且因为加工硬化现象的出现导致了冲蚀磨损量在一定时间内维持相对恒定。CAO 等 9采用段塞流冲蚀试验装置，开展了不锈钢弯头的抗冲蚀磨损性能，并分析了弯头在多相流中的冲蚀磨损规律，发现气速变化对冲蚀速率的影响远大于水流速变化所产生的影响，在弯头轴向 67.5 位置的外壁出现最大的冲蚀磨损损伤。王潜龙等 10使用数值模拟方法对油气管道内多相流的冲蚀磨损特征进行研究，研究发现冲蚀磨损速率随管道内持液量的增加而增加，同时冲蚀磨损范围也随之扩大，而单纯增加固相颗粒质量流量不会造成冲蚀磨损范围的扩大。以上学者的研究聚焦在单一因素改变对冲蚀磨损的影响上，缺少影响因素间交互作用方面研究，这与管道的冲蚀磨损受多种因素交互作用影响的真实服役状态存在差异。本研究为探究交互作用下各因素的影响显著性高低及冲蚀磨损量与各因素之间关系，第 60 卷第 4 期 90 化工设备与管道借助 ANSYS Fluent 软件研究不同因素下冲蚀磨损速率变化规律，分析单因素及多因素交互作用对冲蚀磨损速率的影响机制，建立多因素间的响应曲面模型，优化离散相主要参数，为水煤浆管道冲蚀磨损防护与输送条件优化提供一定参考。1 数值模拟计算模型1.1 连续性与动量方程tvSm$22dtt+=vh （1）tuuuPgSm$22tttxddd+=-+-+vvvvvhhh （2）式中 连续相介质水的密度；uv连续相的瞬时速度；P静压力；x应力张量；gtv质量力；Sm离散相颗粒产生的动量。1.2 RNG k-湍流输运模型数值模拟研究中采用 RNG k-湍流模型进行计算，该模型输运方程为：tkxkuxxGGYSjkeffkiijbMk22222222tta ntf+=+-+chhm （3）txuxxGkGG GGkRS32iieffjjkb1222222222tftfa nfftf+=+-+ffffffchhmh（4）式中 Gk平均速度梯度的湍流动能；Gb浮力湍流动能；YM可压缩流体湍流耗散；Sk、S张量形式的源相；湍流耗散率，W/m3；k湍流动能，J。1.3 固体颗粒受力方程dtduF uugFDppppttt=-+-+hh （5）其中：ReFdC1824DDppp2tn=（6）Red uupppnt=-（7）ReReCaaaDpp1233=+（8）式中 u、up连续相与分散相速度，m s-1；p、连续相与分散相密度，kg m-3；F附加质量力，N；FD（u-up）单位颗粒质量所受阻力；dp颗粒直径，m；连续相黏度，Pa s；a1、a2、a3常数。1.4 冲蚀磨损计算方程RAm C d fvEfaceppb vpN1pa=ohhh/（9）式中 RE冲蚀速率，kg m-2 s-1；mp颗粒单位质量流率，kg s-1；C（dp）颗粒直径系数，1.810-9 11；f （）颗粒碰撞角函数，取值见表 1；b（v）相对速度；Aface壁面单位表面积，m2。表 1 颗粒碰撞角度与碰撞角函数关系Table 1 Function relationship between particle impact angle and impact angle/（）f()00200.8301450.5900.42 冲蚀磨损数值模拟2.1 几何模型参数与网格划分以新疆某煤化工企业水煤浆气化炉进料管道的弯管部分为建模依据，所建立的几何模型由弯头与部分直管段组成，其中直管段部分是为保证管内流体充分延展而添加的 12-13。管道直径 DN 100，弯头弯径比（R/D）为 1.5，弯曲角度为 90，直管段长度为 5DN。网格划分采取结构网格，扫略源面采用 O型剖分（见图 1），并对弯头处进行了局部加密，几何模型与网格具体样式见图 1。由图 1 可以看出，此类网格划分方式所生成网格的正交质量（Orthogonal Quality）均在 0.95 以上，网格质量良好。几何模型生成与网格划分均由 ANSYS SpaceClaim 软件完成。为表述冲蚀速率与位置关系便利，如图 1 中弯头轴向角度示意所示，将弯头部分顺时针自 0 至 90 标记角度，下文中以此描述位置。2023 年 8 月 91 王硕，等.水煤浆参数对输送弯管冲蚀磨损影响分析2.2 网格无关性与模型准确性验证使用 ANSYS SpaceClaim 软件以最大单元尺寸为控制变量，建立了五套网格，其网格尺寸与网格数量量见表2。由图2可以看出网格数量超过30 w量级后，弯管在各个轴向截面角度上的冲蚀磨损速率基本不再发生较大幅度的变化，冲蚀磨损速率变化趋势也趋于一致，各套网格间最大差值小于 5%。在综合考量模拟准确性与模拟计算效率后，选择第 4 套网格（40 w量级）进行以下的数值模拟研究。2.3 模拟准确性文献 14 中使用管流式实验装置开展了固液两相流的实验工作探究了 90 弯管在不同角度的冲蚀磨损率，在 ANSYS Fluent 设置与表 3 中相同的边界条件，进行数值模拟计算。结果如图 3 所示，在不同角度上的冲蚀磨损率最大误差不超过 12%，证明数值模拟所使用模型具有良好的计算精度。3 单变量数值数值模拟分析3.1 介质流速对冲蚀磨损的影响在煤粉直径 dp与煤粉质量流量 qm相同条件下，介质流速 v 由 10 m/s 依次升高到 30 m/s，冲蚀磨损速率云图的变化如图 4 所示，各轴向角度上的冲蚀速率如图 5 所示。由图 4 可以观察到冲蚀磨损影响区域随流速的增大逐渐向流动方向及管道截面的展向扩展，但冲蚀磨损速率的极值点始终保持在同一位置，其冲蚀磨损核心区呈现沿轴向延伸的带状区域。由图5 可以看出最大冲蚀磨损速率随流速增加而增加，且增长率处于逐步加快中。相同轴向位置，在不同的流图 1 网格结构样式与轴向角度示意图Fig.1 Schematic diagram of grid structure style and axial angle图 2 不同网格数量在各个轴向角度上冲蚀磨损速率Fig.2 Erosion rates at various axial angles for different mesh quantities表 2 网格尺寸与数量对应关系Table 2 Corresponding relationship between the maximum cell size and the number of cell序号最大单元尺寸/mm网格数量17101 31025235 85134.5318 88844425 73353.6528 045轴向角度/（）最大冲蚀速率/（10-9 kg m-1 s-2）806040200010 w20 w30 w40 w50 w40206080100表 3 文献 14 中冲蚀实验条件Table 3 Erosion test conditions in literature 14实验条件数值介质速度4.09 m s-1颗粒粒径0.3 mm颗粒密度2 650 kg m-3质量流量0.102 7 kg s-1管壁密度7 980 kg m-3体流速下，呈现出冲蚀速率随流体流速增大而增大的规律，最高增长率出现在 60 90，最高增长幅度接近 120%。相同流速条件，不同轴向角度情况下，冲蚀磨损速率随角度增加出现不同程度的增加。但较小流速情况下冲蚀磨损速率随轴向角度变化幅度有限，其影响程度出现明显的分界线，当流速小于25 m/s时，各个轴向角度冲蚀速率增长幅度不超过 45%，甚至在 10 m/s 时，最大增幅仅为 30%。3.2 煤粉直径对冲蚀磨损的影响在介质流速 v 与煤粉质量流量 qm相同的情况下，将煤粉直径 dp由 0.6 mm 逐次提高到 1.4 mm，冲蚀第 60 卷第 4 期 92 化工设备与管道磨损云图的变化见图 6，各轴向角度上的冲蚀速率如图 7 所示。由图 6 可以观察到，颗粒直径增大所带来的冲蚀磨损速率的升高以及冲蚀磨损影响区域的扩展不十分明显。冲蚀磨损核心区呈现 90 附近点状分布。由图 7 可知，在煤粉直径增加过程中，冲蚀磨损速率在各轴向角度上均有提升，但增幅不是十分显著。直径增加到一定程度时（dp 1.2 mm）冲蚀磨损速率在轴向 40 60 出现增长迟滞的现象，而较小颗粒并未出现此现象。主要原因在于较大颗粒对流体的跟随性不强，部分颗粒并未直接撞击外侧壁面，而是跟流体撞击壁面产生的二次流撞击到了内侧壁面，从而出现外侧冲蚀磨损速率增长停滞现象。图 3 模拟结果与文献实验结果对比Fig.3 Comparison between simulation results and experimental results图 6 煤粉直径改变对冲蚀磨损的影响Fig.6 Effect of coal powder diameter change on erosion图 5 不同流速下的冲蚀磨损速率变化Fig.5 Variation of erosion rate at different flow rates轴向角度/（）轴向角度/（）最大冲蚀速率/（mm s-1）冲蚀速率/（10-5 kg m-2 s-1）0.160.120.080.040.00654321000数值模拟结果文献实验结果10 m/s15 m/s20 m/s25 m/s30 m/s4040a.v=10 m/sa.v=15 m/sa.v=20 m/sa.v=25 m/sa.v=30 m/s202060608080100100图 4 流速改变对冲蚀磨损的影响Fig.4 Effect of flow rate change on erosion图 7 不同煤粉直径下的冲蚀磨损速率变化Fig.7 Variation of erosion rate for different coal powder diametersa.dp=0.6 mmc.dp=1.0 mmb.dp=0.8 mmd.dp=1.2 mme.dp=1.4 mm轴向角度/（）冲蚀速率/（10-5 kg m-2 s-1）3.02.41.81.20.60.00402060801000.6 mm0.8 mm1.0 mm1.2 mm1.4 mm3.3 水煤浆浓度对冲蚀磨损影响在介质流速 v 与煤粉直径 dp相同情况下，将煤粉质量流量 qm由 0.1 kg/s 逐次提升到 0.5 kg/s 后冲蚀磨损云图变化见图 8，不同轴向角度上冲蚀磨损速率随煤粉质量改变关系见图 9。由图 8 可以看出，随着煤粉质量流量的升高，冲蚀磨损速率不断升高，冲蚀磨损影响区向流动方向大范围扩展且冲蚀磨损速率极大点位置保持不变。由图 9 可以看出，相同轴向角度上，冲蚀速率随煤粉质量流量升高而增加，且相邻组间增加幅度基本保持一致。相同质量流量条件下，除轴向 50 处冲蚀磨损增长幅度达到 1.5 倍外，其余角度的冲蚀磨损增长幅度均不高于 45%。3.4 响应曲面法多变量分析3.4.1 响应曲面法方案与模拟结果通过三个单因素对冲蚀磨损速率的影响结果分析，根据 Box-Behnken 中心组合试验的设计原理，选取介质流速（因素 A）、煤粉直径（因素 B）、煤粉2023 年 8 月 93 王硕，等.水煤浆参数对输送弯管冲蚀磨损影响分析质量流量（因素 C）三个因素作为自变量，将冲蚀磨损速率作为响应值，进行三因素三水平响应曲面分析。经 Design Expert 软件共设计 17 组实验，使用ANSYS Fluent 逐一进行计算，得到 17 组对应的响应值。响应曲面法实验设计与响应值结果如表 4 所示。3.4.2 线性回归模型与方差分析通过 Design Expert 软件对所设计的实验组所得结果进行分析、统计以及拟合，经软件拟合冲蚀磨损对介质流速、煤粉直径、煤粉质量流量的二次回归模型，回归方程如式（10）所示。YER=5.49+2.82A+0.479 2B+1.31C-0.203 2AB+0.683 2AC+0.171 3BC+0.477 8A2-0.142 2B2-0.395 6C2 （10）响应曲面实验的回归模型、一次项、交互项以及平方项的误差如表 5 所示。表 5 中的参数 P 值是用来衡量所建立二次回归模型是否具有显著性的指标，P 值越小显著性越明显，P 0.050 0 时即表明所建立二次回归方程显著 15。由表 5 分析可知，冲蚀磨损速率所建立的二次回归模型的 P 值小于 0.000 1，说明所建立的回归模型拟合结果极其显著。在回归模型的拟合质量方面，一般以多元相关系数 R2来衡量，R2越大表示相关度越好，R2 0.800 0 时即表明回归模型拟合质量良好，式（10）所建立的拟合模型的相关系数 R2=0.993 2，说明所建立的回归模型具有较高的可靠度与显著性。使用Design Expert软件将表5中响应值与式（10）的线性回归模型进行拟合，通过拟合来验证回归方程可靠性 16，冲蚀磨损模拟值与回归模型预测值见图10。图 10 中点云代表模拟值，直线代表回归模型预测值，图中点云均匀分布在直线两侧，说明回归模型可靠，预测结果建立的响应面与等高线具有有效性。回归模型预测值的残差分布如图 11 所示，残差值在零数值线两侧均匀分布，且均小于残差极限值，表明该回归方程具有较高的准确性。在冲蚀速率与三个因素的回归模型中，从一次项来看，介质流速与煤粉质量流量的 P 值均小于0.000 1，对冲蚀磨损速率影响显著，而煤粉直径的 P值为 0.002 0，对冲蚀磨损的影响较显著，对冲蚀磨损速率的影响相对较小。单因素对冲蚀磨损速率的影响显著性排序为介质流速 煤粉质量流量 煤粉直径。交互项中除 AC 组的 P 值 煤粉质量流量 煤粉直径，与方差分析结果相同。各因素对冲蚀磨损速率影响的等高线图如图 13 所示，在等高线图中，近椭圆形表示两因素交互作用明显，近圆形则说明显著性一般。图 13 可以看出除（b）图外显著性均不强，但包含介质流速因素的等高线图均表现出较大变化，说明介质流速这一因素比其他两个因素对冲蚀磨损速率有着更大影响。3.4.4 水煤浆操作参数优化利 用 Design Expert 软 件 对 冲 蚀 磨 损 速 率 与各影响因素的回归模型进行优化求解，得到最小冲蚀磨损速率前提下，水煤浆最优参数为介质流图 10 冲蚀磨损速率预测值与模拟值关系Fig.10 Relationship between predicted and simulated values of erosion rate图 11 各实验组预测值的残差分布Fig.11 Residual distribution of predicted values for each experimental group冲蚀速率真实值冲蚀速率预测值129630063912实验组序列号残差值6420-2-4-6010414212616818表 5 响应曲面实验误差分析Table 5 Response surface experimental error analysis方差相参数平方和自由度均方FP回归模型83.0099.22114.34 0.000 1A63.62163.62788.72 0.000 1B1.8411.8422.78 0.002 0C13.78113.78170.85 0.000 1AB0.165 210.165 22.050.195 4AC1.8711.8723.150.001 9 BC0.117 410.117 41.460.266 8A20.961 310.961 311.920.010 7B20.085 210.085 21.060.338 4C20.658 910.658 98.170.024 4残差0.564 670.080 7失拟项0.564 630.188 2纯误差0.000 040.000 0总和83.57162023 年 8 月 95 王硕，等.水煤浆参数对输送弯管冲蚀磨损影响分析速 v=20 m/s、煤粉质量流量 qm=0.5 kg/s、煤粉直径dp=0.8 mm，此条件下最大冲蚀磨损速率预测值为2.39010-5 kg m-2 s-1。为验证回归模型优化结果的准确性，将上述参数再次进行数值模拟计算，得到最大冲蚀速率为 2.50210-5 kg m-2 s-1，回归预测值与模拟值相对误差仅为 4.6%，回归模型的优化结果精 确。4 结论（1）冲蚀磨损出现位置主要集中在轴向 80 90，该区域为冲蚀破损重点监测区域。三个主要参数（介质流速 v、煤粉直径 dp、煤粉质量流量 qm）的升高均会导致冲蚀磨损速率不同幅度提升，且不同轴向角度的冲蚀磨损速率增幅也各不相同。煤粉直径 dp相较于另外两种参数对冲蚀磨损的影响不显著。（2）经单因素探究、回归方程方差分析、响应面分析，影响冲蚀磨损速率的因素权重为介质流速v 煤粉质量流量 qm煤粉直径 dp。根据回归模型进行的离散相参数优化结果为介质流速 v=20 m/s、煤粉质量流量 qm=0.5 kg/s、煤粉直径 dp=0.8 mm，该参数下最大冲蚀磨损速率仅为 2.50210-5 kg m-2 s-1。图 12 各参数对冲蚀磨损速率的交互影响曲面图Fig.12 Surface diagram of interaction between parameters and erosion rate图 13 各参数对冲蚀磨损速率影响的等高线图Fig.13 Contour of the influence of various parameters on erosion ratea.参数 A、Bb.参数 A、Cc.参数 B、C煤粉直径/mm流体流速/（m s-1）流体流速/（m s-1）煤粉质量流量/（kg s-1）煤粉质量流量/（kg s-1）煤粉直径/mm冲蚀磨损速度/（kg s-1 m-2）冲蚀磨损速度/（kg s-1 m-2）冲蚀磨损速度/（kg s-1 m-2）c.参数 B、C煤粉直径/mm0.80.500.450.400.350.300.91.01.11.2煤粉质量流量/（kg s-1）b.参数 A、Ca.参数 A、B流体流速/（m s-1）流体流速/（m s-1）20200.500.450.400.350.301.21.11.00.90.822222424282826263030煤粉质量流量/（kg s-1）煤粉直径/mm参考文献任相坤，房鼎业，金嘉璐.煤直接液化技术开发新发展 J.1 化工进展，2010，29（2）：198-204.张玉卓.中国煤炭液化技术发展前景 J.煤炭科学技术，2 2006，34（1）：19-22.闫国春，温亮，张华.现代煤化工产业发展路径分析 J.化3 工进展，2022，41（12）：6201-6212.杨学萍.碳中和背景下现代煤化工技术路径探索 J.化工进4 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University,Urumqi,Xinjiang 830000,China）Abstract:Aiming at the perforation failure caused by erosion wear caused by solid-liquid two-phase flow in the feed pipe of coal water slurry vaporization furnace,taking the feed conveying pipe as the research object and taking the main parameters of coal water slurry(flow rate v,pulverized coal diameter dp,pulverized coal mass flow rate qm)as variables,the univariate numerical simulation of the influence of main parameters on erosion and wear rate was carried out by CFD-DPM coupling method.The response surface method was used to analyze the significant degree of influence on the erosion wear rate of bending pipe under the interaction of multiple factors,and the main parameters of coal water slurry were optimized.The research shows that the erosion wear phenomenon of bending pipe is concentrated in the bending axis of 80-90,and generally does not move with the change of influencing factors.From the univariate simulation results,the effect of pulverized coal diameter on the erosion rate is much smaller than that of other factors.According to the response surface method,the effect of medium velocity on the erosion rate is the most significant.When the medium flow rate v is 20 m/s,the pulverized coal mass flow rate qm is 0.5 kg/s,and the pulverized coal diameter dp is 0.8 mm,the erosion wear rate of the conveying bend pipe is the smallest.Keywords:two-phase flow;erosion wear;numerical simulation;response surface method;parameter optimization彭文山，曹学文.固体颗粒对液/固两相流弯管冲蚀作用分12 析 J.中国腐蚀与防护学报，2015，35（6）：556-562.张慧君，付林，高炳军.油煤浆输送管路弯管部位液固两13 相流流场的数值模拟与磨损预测 J.河北工业大学学报，2010，39（6）：66-71.彭文山.含固体颗粒多相流弯管冲蚀机理研究 D.青岛：中14 国石油大学（华东），2017.李洪涛，张彦辉，宋庆松，等.硅氧烷油气旋流分离器流场15 特性及性能优化 J.化工设备与管道，2022，59（4）：64-69.马继伟，张亚新.六回路循环流化床甲烷化过程数值模拟及16 优化 J.天然气化工C1 化学与化工，2022，47（3）：109-117，132.封一介绍中石化上海工程有限公司中石化上海工程有限公司（英文简称SSEC），创建于1953 年，曾用名“上海医药设计院”“中国石化集团上海医药工业设计院”“中国石化集团上海工程有限公司”等，是国内最早从事石油化工、医药、化工工程设计和总承包的大型综合性工程公司之一。主要业务领域包括：石油炼制领域；石油化工领域；替代能源领域；医药化工领域；生物化工精细化工领域等，中石化上海工程有限公司立足于自主创新，经多年联合攻关形成了一批以乙苯脱氢制苯乙烯成套技术、碳五分离成套技术、HPPO 法环氧丙烷成套技术、大型PTA 成套技术、淤浆法聚乙烯成套技术、合成气制乙二醇成套技术等为代表的自主专利技术。中石化上海工程有限公司联合华东理工大学开发的百万吨级绿色高效蒸汽裂解制乙烯成套技术通过了第三方科技成果评价。评价认为：该成套技术创新开发了新型高收率、低排放SH-III型裂解炉，创新开发了预脱甲烷顺序分离流程，创新开发了绿电减碳蒸汽平衡方案，创新集成了全流程先进控制与实时优化技术，完成了100万吨/年绿色高效蒸汽裂解制乙烯成套技术工艺包的开发和编制，设计指标达到了同类技术的国际先进水 平。