輸氣管線用射流渦流工具的設計及分析*

屈文濤,郭燕楠,孫艷萍

(西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065)

0 引 言

天然氣在開采運輸中，井下液體將隨著氣體一起進入輸氣管道。隨著地勢起伏、外界溫度的變化，部分液體滯留在管道內，導致氣體過流面積減小同時還會造成凍堵、腐蝕管道，嚴重影響天然氣的運輸[1-3]。針對這一現(xiàn)象，提出將射流泵與渦流工具的特性結合的射流渦流工具，該工具以管線內氣體為動力源，通過射流降壓使管道內積液與氣體混合，為液體提供動力，再將混合液體的流動狀態(tài)由直流變?yōu)闇u流，減小了氣液兩相行進中的摩擦損失，將積液帶出管線。

射流泵經過長時間的發(fā)展，已經形成了一套完整的設計理論體系，廣泛應用于石油化工中，如深井采油、天然氣井排水采氣等；渦流工具于2011年由中石油首次引進，在蘇里格氣田、大慶徐深氣田等進行了現(xiàn)場試驗，效果顯著[4]，目前也有應用于地面集輸管線消除管道內積液的試驗[5]。而將射流泵與渦流工具結構優(yōu)勢綜合利用應用于天然氣開采、運輸中攜液方面的研究目前還鮮有報道。

1 射流渦流工具結構組成及工作原理

射流渦流工具由噴射接頭、喉管、導流管、繞流器、套管組成，如圖1所示。氣體由噴射接頭進入喉管，隨著流動區(qū)域界面半徑逐漸減小，在喉管變徑段產生真空，管線下方積液在壓力差的作用下通過豁口進入喉管，與氣體進行混合和能量交換，在喉管末端兩種流體混合完全，速度趨于一致。混合液體經由導流管的三個出氣口進入套管并沿著繞流器上螺旋翼運動，流動狀態(tài)由直線紊流變?yōu)槁菪隣顪u流，密度較大的液體被甩向井壁，密度較小的氣體在管道中心流動。此時，管線內滯留的積液獲得向前的動力，并沿著管壁向出口螺旋運動，氣體速度也得到提升，達到帶出積液、增加氣體流速的目的。

圖1 輸氣管線射流渦流工具1.噴射接頭 2.喉管 3.導流管 4.繞流器 5.套管

2 射流渦流工具的設計

噴射接頭、喉管以及繞流器為射流渦流工具的主要零件。噴射接頭確保氣體產生的壓差可以將管線內的積液吸入喉管，喉管保證氣液兩相可以完全混合，繞流器的結構與旋流持續(xù)距離有關。

(1) 噴射接頭

噴射接頭形狀采用漸縮有柱型，可以減小水力損失，低壓工作環(huán)境下內部收縮角為15°～45°，中高壓工作環(huán)境內部收縮角為8°～13°[6]，出口直徑可由公式計算：

(1)

式中：D1表示噴嘴出口直徑，m；Q1表示工作流體體積流量，m3/s；u1表示噴嘴出口速度，m/s。

(2) 喉管

喉管分為入口變徑段與混合段兩部分。變徑段采用收縮圓錐形設計，長度L1=(0.5～1)D2。為保證氣液兩相流體有足夠空間充分混合，混合段采用圓柱形，若長度過短無法將流體充分混合，過長則會增加摩阻損失，最優(yōu)長度L2=(5～7)D2[8]。

(3) 繞流器

繞流器主要參數(shù)包括螺旋翼翼高、螺旋角度及導程，翼高一般取值為4～9 mm，螺旋角度選擇區(qū)間為45°～70°，1～2倍導程[9-11]，通過對上述參數(shù)進行數(shù)值模擬分析后，得到最優(yōu)尺寸為翼高5 mm，螺旋角度70°，2倍導程。

3 模型與參數(shù)設置

3.1 幾何模型

射流渦流工具總長為1 165 mm，噴射接頭出口內徑40 mm，喉管混合段內徑70 mm，繞流器直徑70 mm，螺旋角度70°，2倍導程。使用Pro/E軟件建立射流渦流工具三維模型，如圖2；根據(jù)模型中氣液流過的區(qū)域建立流域的模型，導入ICEM CFD中進行網(wǎng)格劃分，如圖3；最后導入流體分析軟件FLUENT中進行流場分析。

圖2 射流渦流工具三 圖3 射流渦流工具流體 維模型圖 區(qū)域網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)學模型

(1) 多相流模型

射流渦流工具在工作過程中，包含射流、旋流等復雜流動狀態(tài)，氣液兩相既有混合也有分離，且兩相之間存在相互作用力，計算要求精度高，因此選用歐拉模型進行計算。其控制方程組如下。

連續(xù)性方程：

(2)

動量方程：

(3)

能量方程：

(4)

式中：k為相的角碼；uk為各相速度向量；Pk為各相壓力標量；I為單位張量；T為剪應力張量；gk為重力加速度向量；ek為比熱力學能。

(2) 湍流模型

湍流模型包含單方程S-A模型、雙方程k-ε模型、五方程RSM模型、LES模型等，其中雷諾應力模型(RSM模型)可以模擬出旋轉流動及流動方向表面曲率變化，摒棄了渦黏性假設，對復雜的流體流動有更高的精度，因此湍流模型選用雷諾應力模型。具體形式為：

(5)

式中：左邊第二項為對流項，右邊依次為湍流擴散項、分子擴散項、應力產生項、浮力產生項、壓力應變項、耗散項、系統(tǒng)旋轉產生項。

3.3 邊界條件設置

射流渦流工具兩個入口邊界,入口1采用速度入口，初始速度為7 m/s，入口2為壓力入口，初始壓力為5.65 MPa，其中入口1水力直徑為92 mm，入口2水力當量直徑為35 mm。設氣相為第一相，液相為第二相，入口1液相體積分數(shù)為0.1，入口2液相體積分數(shù)為1。出口邊界為壓力出口邊界，設定壓力5.75 MPa，壁面條件選用標準面函數(shù)處理壁面邊界層流，壓力和速度的耦合方式采用SIMPLE算法。

4 仿真結果分析

4.1 流動速度

如圖4所示，氣體通過噴射接頭后，流域逐漸縮小，喉管前端有液相匯入，在喉管末端流體分布均勻，混合流體經繞流器后運動形式由直線流動變?yōu)槁菪鲃印＞唧w速度變化如圖5所示，氣體在進入噴射接頭后速度成倍數(shù)增加，隨后出現(xiàn)大幅下降，這是由于管線內積液與氣體發(fā)生能量交換導致；在經過繞流器后，速度由最低開始緩慢上升，而后趨于平穩(wěn)，與初始速度相比增加一倍。

圖4 流體流動軌跡示意圖

圖5 流體軸向速度示意圖

4.2 壓力分布

天然氣在管道運輸過程中，受沿程阻力以及積液的影響，由井口至管道出口壓力呈逐漸減小的狀態(tài)。在安裝射流渦流工具后，壓力在工具內部的變化起伏較大，而后保持穩(wěn)定，如圖6、7所示。通過對軸線上壓力分布曲線分析發(fā)現(xiàn)，氣體通過噴射接頭后壓力突然降低，在氣體與積液混合時出現(xiàn)緩慢回升。待混合流體經過繞流器時，由于流通區(qū)域減小，流動狀態(tài)由直流變?yōu)樾鳎瑝毫档头却?，而后保持穩(wěn)定。與初始入口壓力5.65 MPa相比，通過射流渦流工具后，壓力出現(xiàn)一定增長，且該壓力可以維持一定的距離，因此，射流渦流工具可以減小運輸中的壓力損失，降低管線內運輸壓差。

圖7 射流渦流工具軸向壓力分布曲線

4.3 攜液效率

從圖8可以看出液體體積分數(shù)在體積分布云圖上呈現(xiàn)出靠近流域中心處液相體積趨近于0，流域外圍體積分數(shù)最大。由于液相的密度遠大于氣體，在進行螺旋運動時，被離心力的作用甩向管壁，在重力的影響下，旋流下方切向速度大于上方，導致管壁下方液體較上方體積分數(shù)大。

圖8 液相體積分數(shù)云圖

輸氣管線內的日產氣量并非固定，當產氣量不同時，射流渦流工具的入口速度將產生變化，導致攜液量發(fā)生變化。根據(jù)產氣量的實際情況，將日產氣量的最大值與最小值計算得到的平均流速設置為入口速度，入口處液相體積分數(shù)為0.1，得到不同入口速度下液體的體積分數(shù)。如圖9所示，出口處液相體積分數(shù)明顯大于0.1，說明管線內靜止的積液通過射流渦流工具后被氣體帶出；當入口速度為6 m/s時，工具攜液效率最高，當速度大于6 m/s后，攜液量相對減少。這是由于當管線內的速度超過一定大小時，產生的壓降過大，導致部分液體回流，從而減小了氣體的攜液能力。

圖9 液相體積分數(shù)云圖

4.4 有效作用長度

射流渦流工具的有效作用長度主要取決于旋流流動維持的距離，當旋轉強度減小為0時，氣液流體將恢復直線流動。此時距離工具出口的距離為射流渦流工具的有效作用長度。流體旋轉流動時流體旋轉強度與流體軸向速度和流體切向速度有關，通過公式計算可得射流渦流工具的有效作用長度:

(6)

式中：S為旋流強度；B為衰減系數(shù)，與軸向速度與切向速度有關；L為旋流長度；D為管道直徑。

圖10、圖11為不同入口速度下射流渦流工具出口處的軸向速度和切向速度，由圖10、11可見，隨著入口速度的增大，出口處軸向速度和切向速度也隨之增大。在經過射流渦流工具的加速后，軸向速度增大為初始速度的2～3倍，切向速度增大為初始速度的5～6倍。

圖10 不同入口速度下出口軸向速度

圖11 不同入口速度下出口切向速度

由圖12可以看出，流體經過射流渦流工具后，有效作用長度在100 m以上，且入口速度越高，作用距離越長，最高可達600 m，遠大于單獨使用渦流工具的作用長度。

圖12 不同入口速度下有效作用長度

5 結 論

(1) 管線內氣體進入射流渦流工具后，工具內部速度、壓強起伏較大，出口軸向速度相較入口速度提高一倍；出口處壓強相較入口壓力增加5%，且能在一段距離內保持平穩(wěn)。說明加裝射流渦流工具后不僅可以增加氣體流動速度并且能夠降低管線輸差。

(2) 射流渦流工具出口處的液相體積相較入口處液相體積增加50%～200%，證明氣體在進入射流渦流工具后有部分液體與氣體混合，即氣體將管線內部分積液帶出。當入口速度為6 m/s時，出口處液相體積增加量最明顯，攜液效果最佳。

(3) 普通渦流工具的攜液距離一般為20～200 m，射流渦流工具的有效作用長度為100～600 m，且隨著入口速度增大，射流渦流工具出口處的軸向速度和切向速度也隨之增大，有效作用長度大幅度提高。

[1] 李玉星,姚光鎮(zhèn).輸氣管道設計與管理[M].濟南:中國石油大學出版社,2009.

[2] Alamu M B. Gas-well liquid loading probeb with advanced instrumentation[J].SPE Journal,2012,17(1):251-270.

[3] 張 荔.地面輸氣管道防積液渦流裝置流場數(shù)值模擬研究[D].西安:西安石油大學,2016.

[4] 楊 濤,余淑明,楊 樺,等.氣井渦流排水采氣新技術及其應用[J].天然氣工業(yè),2012,32(8):63-66.

[5] 馬國光,李曉婷,張 峰,等.渦流工具在氣田地面集輸上的應用研究[J].油氣田地面工程,2015,34(11):49-51.

[6] 陸宏圻.射流泵技術的理論及應用[M].北京:水利水電出版社,1989.

[7] 龍新平,程 茜,韓 寧,等.射流泵最佳喉嘴距的數(shù)值模擬[J].核動力工程,2008,29(1):35-38.

[8] 梁愛國,劉景植,龍新平,等.射流泵內流動的數(shù)值模擬及喉管優(yōu)化[J].水泵技術,2003(1):3-15.

[9] 吳 丹, 顏廷俊,謝雙喜,等.氣井渦流排液采氣工具參數(shù)仿真及結構優(yōu)化[J].石油機械,2014,42(8):111-115.

[10] 陳德春,姚 亞, 韓 昊,等.氣井渦流攜液機理和攜液效率數(shù)值模擬研究[J].石油機械,2015,43(9):91-94.

[11] 陳德春,姚 亞,韓 昊,等.氣井渦流排液采氣工具有效作用長度[J].斷塊油氣田,2016,23(4):537-540.

[12] 朱紅鈞,林元華,謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真實用教程[M].北京:人民郵電出版社,2010.