排液閥開度對(duì)分離器分離效率影響分析

趙學(xué)儉

（中國(guó)石化勝利油田分公司油氣集輸總廠，山東 東營(yíng) 257100）

1 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)是油田生產(chǎn)中提高壓力和輸送介質(zhì)的動(dòng)力源，應(yīng)用十分廣泛。油氣集輸總廠東營(yíng)廠壓氣站承擔(dān)著勝利油田石油伴生氣凈化處理的主要任務(wù)，其淺冷工藝系統(tǒng)的主要設(shè)備DPC2804機(jī)組，為低速、整體燃?xì)怛?qū)動(dòng)往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)組，該壓縮機(jī)組主要由4個(gè)動(dòng)力缸、3個(gè)壓縮缸、傳動(dòng)部件、密封組件、驅(qū)動(dòng)部件，以及潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和管路系統(tǒng)等組成。

在壓縮機(jī)組的運(yùn)行過程中，需設(shè)置級(jí)間分離器將凝析液及時(shí)排放。凝析液主要來源有2個(gè)途徑：一是在油氣開采過程中，由井底攜帶的液體；二是在伴生氣輸送過程中，由于輸送管道內(nèi)壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化，使得介質(zhì)發(fā)生相變，造成氣體向液體的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生液體。排液閥作為級(jí)間分離器重要組成部件，影響著其分離效率。若級(jí)間分離器分離效率較低，凝析液則會(huì)進(jìn)入后續(xù)管線，影響整個(gè)工藝過程；若分離速度過快，則可能發(fā)生天然氣隨凝析液排出的現(xiàn)象，造成生產(chǎn)安全隱患。因此研究排液閥開度對(duì)分離器分離效率的影響非常有必要。

2 分離器排液閥流場(chǎng)數(shù)值模擬

2．1 分離器排液閥流域模型

分離器排液系統(tǒng)流場(chǎng)數(shù)值模擬主要為模擬隨著分離器液位的高低，自動(dòng)排液閥開啟與關(guān)閉進(jìn)行液位控制過程中分離器內(nèi)流場(chǎng)分布，分離器排液系統(tǒng)流域模型如圖1所示。該流域模型主要由分離器本體及排液閥組成，其中排液閥內(nèi)設(shè)有閥片，通過移動(dòng)閥片實(shí)現(xiàn)排液閥開度的變化。

圖1 分離器排液閥流域模型

2．2 數(shù)值計(jì)算方法與邊界條件

入口邊界條件設(shè)置為壓力入口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，考慮重力場(chǎng)的影響。湍流定義方法選擇湍流強(qiáng)度百分比和水利直徑。求解器選擇基于壓力求解器，3D雙精度，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，速度為絕對(duì)速度。采用k-?二方程湍流模型；近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，壓力離散格式采用Body Force Weighted格式，其它采用二階迎風(fēng)格Second Order Upwind格式，松弛因子保持默認(rèn)設(shè)置，計(jì)算殘差為10-6，初始化并求解至收斂。

3 模擬結(jié)果與分析

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)分離器排液系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬。氣動(dòng)排液閥內(nèi)閥芯與閥座之間的通流面積決定著整個(gè)排液系統(tǒng)的排液速度，因此對(duì)排液閥在4種不同開度工況下進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其流場(chǎng)分布。進(jìn)口壓力為0.204MPa、出口壓力為0.18MPa、氣動(dòng)排液閥出口壓力為0.1MPa。開度分別為1、0.75、0.5、0.25。

圖2、3、4分別給出了不同開度下氣動(dòng)排液閥局部壓力分布云圖、速度分布云圖及流線圖。由圖2可知，在相同的進(jìn)出口壓力下，閥片內(nèi)側(cè)中間部分壓力最高，并逐漸向四周減少，并在彎頭的內(nèi)側(cè)形成了低壓區(qū)；隨著排液閥開度的減小，閥片外側(cè)的壓力逐漸減小，閥片兩側(cè)的壓差逐漸增大，阻礙了排液過程的進(jìn)行。由圖3可知，隨著排液閥開度的減小，排液閥內(nèi)的速度逐漸降低且閥片外側(cè)的低速區(qū)域逐漸增大；彎頭后部分的外側(cè)速度較大，內(nèi)側(cè)存在旋渦。由圖4可知，不同開度下排液閥內(nèi)的流線分布大致相同，但隨著開度的減小，在閥片的外側(cè)流線逐漸紊亂復(fù)雜，這增大了排液閥的局部阻力。

圖2 不同開度下排液閥壓力云圖

圖3 不同開度下的放泄閥速度云圖

圖4 不同開度下排液閥流線圖

表1給出了不同開度下排液閥出口流量變化情況，隨著排液閥開度的減小，排液閥出口流量非線性降低且開度越小降低越快；開度為0.25時(shí)，在進(jìn)口壓力的作用下流量仍為14.41kg/s，這表明若有固體雜質(zhì)阻礙排液閥關(guān)閉時(shí)，即使此時(shí)的開度較小，但在較高的進(jìn)口壓力作用下液體仍會(huì)大量排出，導(dǎo)致積液排空，產(chǎn)生天然氣泄漏現(xiàn)象。

表1 不同開度下排液閥出口流量

4 結(jié)語

本文基于CFD方法對(duì)分離器排液閥內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了排液閥開度對(duì)分離器分離效率的影響。給出了不同開度下排液閥內(nèi)壓力分布、速度云圖和流線圖以及不同開度下排液閥出口流量變化情況。結(jié)果表明：一是閥片中間壓力最高，在彎頭內(nèi)側(cè)形成低壓區(qū)；隨著開度的減小，排液閥兩側(cè)壓差逐漸增大，阻礙了排液過程的進(jìn)行。二是隨著排液閥開度的減小，排液閥內(nèi)的速度逐漸降低且閥片外側(cè)的低速區(qū)域逐漸增大，并且流線逐漸紊亂形成局部的旋渦。三是出口流量隨著開度的減小非線性降低，但在高壓的作用下，即使較小的開度也會(huì)有較高的流量。