可調(diào)式天然氣噴射引流器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

趙軍友，王秀會(huì)，張振國(guó)，楊 勇，鄒俊艷，劉 敬

（中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266555） ＊

可調(diào)式天然氣噴射引流器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

趙軍友，王秀會(huì)，張振國(guó)，楊 勇，鄒俊艷，劉 敬

（中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266555）＊

為了高效開采低壓天然氣、提高噴射引流器的引射率，設(shè)計(jì)了一種節(jié)流閥結(jié)構(gòu)的可調(diào)式天然氣噴射引流器。試驗(yàn)結(jié)果表明：低壓氣流量與高壓氣壓力呈二次函數(shù)關(guān)系，即低壓氣流量隨著高壓氣壓力的升高而先增加后減少。采用1stOpt軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行擬合，得出上述規(guī)律的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)值擬合的相關(guān)系數(shù)＞0.99。該試驗(yàn)結(jié)果為可調(diào)式噴射引流器的現(xiàn)場(chǎng)使用提供了理論依據(jù)。

可調(diào)式噴射引流器；性能試驗(yàn)；引射率；數(shù)值擬合；相關(guān)系數(shù)

在氣田的開發(fā)過程中，地層能量會(huì)逐漸降低，進(jìn)入中后期的氣井越來(lái)越多。由于氣井的能量遞減，井口壓力降低，部分氣井的進(jìn)站壓力已與集氣外輸壓力持平或者低于集氣外輸壓力，造成低壓氣井的不連續(xù)生產(chǎn)或不能生產(chǎn)。氣井只能采用壓縮設(shè)備或者采用放空處理才能正常開采［1］，既浪費(fèi)了能源又增加了開采成本。

天然氣噴射技術(shù)是利用高壓天然氣來(lái)引射低壓天然氣的一種節(jié)能升壓技術(shù)，在不借助外來(lái)能源的情況下，實(shí)現(xiàn)低壓氣井正常穩(wěn)定生產(chǎn)［2－6］，從而降低生產(chǎn)成本，延遲增壓開采時(shí)間，為低壓氣井增壓開采探索一種新途徑?，F(xiàn)有的噴射器參數(shù)是固定的，不適用于不同工況的氣井，應(yīng)用受到了限制。針對(duì)這一情況，設(shè)計(jì)了一種針閥結(jié)構(gòu)的可調(diào)式噴射引流器來(lái)解決低壓氣井的連續(xù)生產(chǎn)問題。

1 可調(diào)式噴射引流器的設(shè)計(jì)

1.1 噴射引流原理［7－9］

噴射引流器的工作原理是高壓氣經(jīng)高速噴嘴后，在吸入室形成高速低壓區(qū)，從而將低壓氣吸引進(jìn)來(lái)，在混合腔低壓氣與高壓氣充分混合，形成具有一定速度的混合氣流，在擴(kuò)壓段內(nèi)完成升壓后外輸。

1.2 設(shè)計(jì)原則

1） 現(xiàn)有的可調(diào)式噴射器都是在高壓氣噴嘴前設(shè)計(jì)1個(gè)可以移動(dòng)的噴針［10－11］，用于壓力不高的噴射泵或者供熱系統(tǒng)；當(dāng)應(yīng)用在高壓、高速流動(dòng)的天然氣領(lǐng)域時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高壓氣超過10MPa時(shí)噴針會(huì)劇烈振動(dòng)并產(chǎn)生很大的噪聲，效果不理想或無(wú)法工作。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了一種新型可調(diào)式噴射引流器，即在噴嘴前部設(shè)計(jì)1個(gè)針形節(jié)流閥結(jié)構(gòu)。針形節(jié)流閥技術(shù)成熟、可靠，閥桿剛性強(qiáng)，密封性好，既達(dá)到了調(diào)節(jié)高壓氣壓力和流量的目的，又很好地解決了調(diào)節(jié)閥針由于振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲的問題。

2） 噴嘴是噴射器中最關(guān)鍵的部件，噴嘴出口截面積與噴嘴喉口截面積之比是噴嘴設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因?yàn)榱鬟^噴嘴的為高壓天然氣，為了提高氣體流速、降低出口處壓力，設(shè)計(jì)中采用拉法爾式的超音速噴嘴，氣體在收縮段為亞音速，在喉口達(dá)到音速，喉部以后氣壓繼續(xù)降低達(dá)到超音速，氣體在流出噴嘴后，流束呈近似圓柱形的自由流束。噴嘴喉部截面積根據(jù)日產(chǎn)氣量計(jì)算而定。

3） 混合腔和擴(kuò)壓室采用整體文丘里管形狀，混合腔是兩相流體混合、吸收的重要結(jié)構(gòu)，喉部直徑應(yīng)該與噴嘴出口直徑匹配；擴(kuò)壓室使混合流體壓力恢復(fù)，克服出口被壓，氣體順利流出，所設(shè)計(jì)的擴(kuò)散角度為9°。

按照上述原則，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)式噴射引流器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可調(diào)式天然氣噴射引流器結(jié)構(gòu)

2 性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置如圖2所示，為了便于控制高、低壓氣的壓力，在噴射裝置的高、低壓氣入口各安裝1個(gè)調(diào)壓閥；混合后的氣體進(jìn)入集輸系統(tǒng)，外輸壓力控制在5.2MPa；在高、低壓氣入口各安裝1臺(tái)智能漩渦流量計(jì)，對(duì)流量進(jìn)行計(jì)量；在各個(gè)氣口處安裝壓力表，對(duì)氣體壓力進(jìn)行測(cè)量。

通過改變噴射裝置的工作狀況，即改變進(jìn)入噴射裝置的高、低壓氣的壓力，分析低壓進(jìn)氣量和引射率隨高壓氣壓力、低壓氣壓力的變化規(guī)律，研究噴射裝置的性能，為可調(diào)式天然氣噴射引流器的現(xiàn)場(chǎng)使用提供理論依據(jù)。具體試驗(yàn)方法如下：

1） 保持低壓氣壓力恒定（分別為5、4、3、2 MPa），使進(jìn)入噴射裝置的高壓氣壓力從15MPa依次減小1MPa，直到10MPa，穩(wěn)定后測(cè)量高壓氣流量和低壓氣流量。

2） 在一定的高壓氣壓力下（分別為15、12 MPa），使進(jìn)入噴射裝置的低壓氣壓力從2MPa依次增加1MPa，直到5MPa，穩(wěn)定后測(cè)量低壓氣流量和高壓氣流量。

圖2 噴射器試驗(yàn)流程

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)方法得到的試驗(yàn)結(jié)果如表1～2。

表1 低壓氣恒定時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表1

表2 高壓氣恒定時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 試驗(yàn)數(shù)值擬合

1stOpt軟件的非線性擬合功能比較強(qiáng)大，其最大的特點(diǎn)是：在絕大多數(shù)情況下，不需要提供任何初始值，僅依靠軟件自身的全局搜索能力，從任意隨機(jī)值出發(fā)即可求得最優(yōu)解。在對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果綜合分析的基礎(chǔ)上，用1stOpt來(lái)探求低壓氣流量與高壓氣壓力、低壓氣壓力之間以及引射率與高壓氣壓力之間的函數(shù)關(guān)系式。

2.3.1 低壓氣流量與高壓氣壓力之間的函數(shù)關(guān)系

由試驗(yàn)數(shù)值可以看出：當(dāng)?shù)蛪簹鈮毫l不變時(shí)，低壓氣流量Ql與高壓氣壓力ph的大致關(guān)系為二次曲線關(guān)系。采用式（1）對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，即

式中，a、b、c為常數(shù)（下同）。

低壓氣壓力為5MPa時(shí)，將高壓氣壓力和低壓氣流量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入編程軟件，得到如圖3所示的擬合曲線。

得到的擬合曲線函數(shù)為

擬合的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.992。通過求一階導(dǎo)數(shù)，低壓氣流量最大值發(fā)生在高壓氣壓力ph＝12.35MPa左右。

圖3 低壓氣流量與高壓氣壓力的擬合曲線

當(dāng)高壓氣壓力ph不變時(shí)，低壓氣流量Q1隨低壓氣壓力pl變化規(guī)律為直線關(guān)系，采用式（3）對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，即

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，當(dāng)?shù)蛪簹鈮毫Γ? MPa時(shí)，引射效果不理想，因此噴射器真正的工作范圍應(yīng)該在2MPa以上，故不考慮2MPa的數(shù)據(jù)。在15MPa條件下，將低壓氣壓力和低壓氣流量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入編程軟件，得到如圖4所示的擬合曲線。

圖4 低壓氣流量和低壓氣壓力的擬合曲線

得到的擬合曲線函數(shù)為

擬合的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.997。

2.3.3 引射率與高壓氣壓力之間的函數(shù)關(guān)系

據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)?shù)蛪簹鈮毫l不變時(shí)，引射率μl與高壓氣壓力ph呈二次函數(shù)關(guān)系，采用式（5）對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，即

當(dāng)?shù)蛪簹鈮毫?MPa時(shí)，將引射率和高壓氣壓力等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入編程軟件，得到如圖5所示的擬合曲線。

得到的擬合曲線函數(shù)為

擬合的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.992。

圖5 高壓氣壓力和引射率的擬合曲線

3 結(jié)論

1） 低壓氣流量與高壓氣壓力存在著二次多項(xiàng)式的關(guān)系，隨著高壓氣壓力的增加，低壓氣流量先增加后減小，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)只需調(diào)節(jié)到合適的高壓氣壓力就能達(dá)到最好的引射效果。

2） 在高壓氣壓力一定的情況下，低壓氣流量與低壓氣壓力呈線性關(guān)系。

3） 引射率在低壓氣壓力一定的情況下，與高壓氣壓力有二次函數(shù)關(guān)系，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)調(diào)節(jié)最佳的引射率提供理論依據(jù)。

4） 通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，設(shè)計(jì)的可調(diào)式天然氣噴射引流器對(duì)提高低壓天然氣的引射效率是可行的。

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Design and Test Research of the Adjustable Gas Injector

ZHAO Jun－you，WANG Xiu－h(huán)ui，ZHANG Zhen－guo，YANG Yong，ZOU Jun－yan，LIU Jing
（College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

A new kind of adjustable gas injector with throttle valve structure was designed in order to improve the effectiveness of exploitation of low pressure gas and the inject ratio of the injector.Test proved that it is in quadratic function between the low pressure gas flow rate and the high gas pressure，i.e.the low－pressure gas flow rate first increase and then decrease with high gas

adjustable injector；performance test；inject ratio；numerical simulation；correlation coefficient

1001－3482（2012）07－0062－04

TE934.4

A

2012－01－22

趙軍友（1963－），男，山東東明人，副教授，碩士，主要從事石油機(jī)械方面的教學(xué)和科研工作，E－mail：zhaojy＠upc.edu.cn。pressure changing.The mathematical function formula has been gotten by numerical simulation using 1stOpt software，and that the correlation coefficient is more than 0.99between the calculated data and the tested data.The experimental result provides a theoretical basis for the injector field using.