油氣混輸泵混輸特性分析

韓 偉, 袁仕芳, 權(quán) 輝,2

(1. 蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 山東長志泵業(yè)有限公司, 山東 淄博 255400)

隨著世界的發(fā)展,對(duì)海上原油的開發(fā)越來越重視.海上原油主要包含油、氣、水等三相介質(zhì).油氣混輸泵可直接輸送海上油田產(chǎn)出的原油,與傳統(tǒng)的工藝相比,可以節(jié)約油、氣分離的成本.油氣混輸泵兼顧有泵和壓縮機(jī)的性能[1],可以降低井口回壓,提高油井產(chǎn)量,提高油氣采集率及經(jīng)濟(jì)效益[2].1984年法國和挪威投巨資研發(fā)了“海神”系列螺旋軸流式油氣混輸泵[3-4].中國石油大學(xué)從1996年起開始對(duì)螺旋軸流式油氣混輸泵進(jìn)行研究,李清平等[5-12]先后完成了三代原理機(jī)的性能及試驗(yàn)研究.馬希金等[13-18]對(duì)螺旋軸流式油氣混輸泵的性能做了深入分析,提出了抑制混輸泵內(nèi)氣液分離的若干方法并進(jìn)行了對(duì)比分析.至今為止,對(duì)泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究,獲得其多相流混輸特性依舊是螺旋軸流式油氣混輸泵研究的著重點(diǎn).

1 油氣混輸泵模型建立及數(shù)值模擬

1.1 幾何模型設(shè)計(jì)以及網(wǎng)格劃分

1.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)

目前針對(duì)螺旋軸流式油氣混輸泵還沒有形成一套完善的設(shè)計(jì)方案.由于該泵由單個(gè)或是多個(gè)壓縮單元組成,兼顧有泵和壓縮機(jī)的功能[19],故現(xiàn)今對(duì)螺旋軸流式油氣混輸泵的設(shè)計(jì)大多結(jié)合壓縮機(jī)和軸流式葉輪的設(shè)計(jì)方法.模擬所用泵模型主要參照文獻(xiàn)[12]以及軸流葉片葉柵的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.設(shè)計(jì)泵模型為四級(jí)多相流泵,設(shè)計(jì)參數(shù)以及泵最終確定的幾何參數(shù)如下:油氣混輸泵流量qV=100 m2/s, 揚(yáng)程H=80 m,轉(zhuǎn)速n=4 500 r/min,泵的進(jìn)口直徑Ds=100 mm,泵的出口直徑Dd=80 mm; 葉輪進(jìn)口輪轂直徑dh1=100 mm, 輪轂半角γ=6°, 葉輪輪緣直徑Dt=142 mm, 葉片數(shù)Z=4.

1.1.2幾何建模及網(wǎng)格劃分

對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用Pro/E三維建模,并使用ICEM自適應(yīng)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.圖1為泵模型的網(wǎng)格劃分圖.

圖1 油氣混輸泵網(wǎng)格劃分Fig.1 Meshes for oil-gas mixed transportation pump

1.2 數(shù)值模擬

為了能正確模擬氣液兩相流動(dòng),確定兩相流的流動(dòng)特性及流動(dòng)流型至關(guān)重要.由于氣液兩相的分布狀態(tài)以及截面不斷變化,流型種類繁多極為復(fù)雜,故對(duì)流型的定義以及劃分極為困難[20].1987年Barnea等[21]將流動(dòng)介質(zhì)及其流動(dòng)連續(xù)性相結(jié)合對(duì)流動(dòng)流型進(jìn)行劃分,簡(jiǎn)化了多相流動(dòng)的流型劃分種類.現(xiàn)今氣液兩相流的流型可大致分為六種,即分層光滑流、分層波浪流、塞狀流或長氣泡流、沖擊流、環(huán)狀液霧流和分散氣泡流[22-23].確定兩相流流型之后,便可根據(jù)兩相流的流型確定模擬的多相流模型以及湍流模型并模擬設(shè)置條件.

1.2.1多相流模型

在FLUENT中,共有VOF(volume of fluent)模型、混合(mixture)模型、歐拉(Eulerian)模型等三種歐拉-歐拉多相流模型以及歐拉-拉格朗日方法對(duì)應(yīng)的離散相模型(discrete phase model).

mixture模型是通過求解混合物的動(dòng)量方程來描述流體的運(yùn)動(dòng),并通過相對(duì)速度來描述離散相.選擇mixture模型進(jìn)行模擬計(jì)算.

1.2.2湍流模型

Launder和Spalding于1972年在湍動(dòng)能k的方程基礎(chǔ)上,再引入一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)能耗散率ε的方程，提出標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型.該方程主要適用于高雷諾數(shù)的湍流流動(dòng).選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算.

1.2.3邊界條件

假設(shè)入口為氣液均勻混合分布的泡狀流.進(jìn)口選擇速度進(jìn)口條件大小為3.52 m/s,方向垂直于進(jìn)口端面.材料設(shè)置液相選擇水,氣相選擇空氣.出口為自由出流,壁面為無滑移壁面條件,以壁面函數(shù)法確定固壁附近流動(dòng).旋轉(zhuǎn)域采用MRF模型進(jìn)行計(jì)算.

1.2.4求解計(jì)算

FLUENT采用有限體積法求解離散控制方程,用SIMPLE算法耦合速度和壓力,用一階迎風(fēng)格式對(duì)動(dòng)量、能量、湍動(dòng)能和耗散率進(jìn)行離散.

2 泵數(shù)值模擬外特性及內(nèi)流場(chǎng)分析

為研究泵內(nèi)部流動(dòng)情況,獲得油氣混輸泵內(nèi)流動(dòng)規(guī)律,了解油氣混輸泵的氣液混輸特性,分別截取葉輪和導(dǎo)葉中的三個(gè)截面(見圖2),并將該三個(gè)截面的流動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比分析.由于篇幅有限,將選取入口氣相體積分?jǐn)?shù)為50%的模擬結(jié)果進(jìn)行分析.

圖2 監(jiān)測(cè)截面分布Fig.2 Distribution of Monitored cross-sections

2.1 外特性分析

為得到泵的兩相混輸特性,需更改進(jìn)口條件,計(jì)算在不同入口氣相體積分?jǐn)?shù)條件下的泵的各個(gè)性能指標(biāo).本次將對(duì)入口氣相體積分?jǐn)?shù)分別為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%的輸送情況進(jìn)行模擬分析.圖3為數(shù)值計(jì)算出的油氣混輸泵外特性曲線.

由于油氣混輸泵輸送氣液兩相介質(zhì),故用多相壓差pm來表示進(jìn)、出口斷面單位體積流體總壓的

差值.從圖3可以看出,泵的壓差與氣相入口體積分?jǐn)?shù)之間存在線性關(guān)系,且隨氣相體積分?jǐn)?shù)的增加,泵壓差降低,泵進(jìn)、出口單位體積流體介質(zhì)的能量差減小.從揚(yáng)程曲線可以看出,隨氣相體積分?jǐn)?shù)的增加,泵揚(yáng)程基本不變,且與泵輸送清水時(shí)的揚(yáng)程保持一致.這是因?yàn)殡S著氣相體積分?jǐn)?shù)的增加,泵輸送介質(zhì)的密度也在降低,輸送相同揚(yáng)程的介質(zhì)所需的能量更少.

圖3 數(shù)值模擬的外特性曲線Fig.3 External characteristic curve of numerical simulation

2.2 靜壓力分布

圖4為葉輪三個(gè)截面上的壓力分布云圖.從圖中可以看出,在相同的截面上,從葉輪工作面到背面,壓力逐漸降低.從葉輪進(jìn)口到出口,工作面的高壓區(qū)逐漸向背面過渡,并集中在輪緣處,并在背面靠近輪轂的位置形成一個(gè)低壓區(qū).

圖4 葉輪監(jiān)測(cè)截面壓力云圖Fig.4 Pressure cloud diagram of monitored cross-section on impeller

通過對(duì)比葉輪內(nèi)三個(gè)截面上的壓力分布可以發(fā)現(xiàn),在葉輪各個(gè)流道內(nèi)的壓力并不是均勻分布.這是因?yàn)閮上嘣谶M(jìn)入吸入室以后,由于吸入室的幾何形狀變化劇烈,兩相的流動(dòng)受到?jīng)_擊,且兩相之間的慣性不同,導(dǎo)致氣液兩相產(chǎn)生相對(duì)速度并最終分離.因此,從吸入室進(jìn)入到葉輪的流體其兩相分布并不是均勻的,從而導(dǎo)致進(jìn)入葉輪內(nèi)的壓力在每個(gè)流道內(nèi)的變化情況也就出現(xiàn)了不一致的現(xiàn)象.

圖5為導(dǎo)葉上的壓力分布圖.由圖5可知,在同一截面上,從導(dǎo)葉的吸力面到壓力面壓力逐漸增加,高壓區(qū)集中在壓力面靠近輪緣的位置.在相同截面上壓力差Δp=pmax-pmin.對(duì)比導(dǎo)葉三個(gè)截面的靜壓力圖發(fā)現(xiàn),從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口,靜壓力最大值降低,最小值增加,壓差降低.且在同一流道內(nèi),從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口,高壓區(qū)從輪緣處逐漸向輪轂處擴(kuò)散.

圖5 導(dǎo)葉監(jiān)測(cè)截面壓力云圖Fig.5 Pressure cloud diagram of monitored cross-section on guide vane

2.3 相對(duì)速度分布

2.3.1葉輪域內(nèi)相對(duì)速度矢量分布

圖6為介質(zhì)在葉輪上的速度矢量.由圖6a可以看出,在第一截面上大部分地方速度變化均勻,且與葉片方向相切.但是在葉輪域的一個(gè)流道內(nèi)有明顯的徑向速度,這將造成氣液兩相更容易分離.這種情況一方面是因?yàn)槿~片對(duì)流體的控制能力不夠,另一方面是因?yàn)榱黧w從半螺旋形吸入室出來時(shí)流動(dòng)有部分紊亂.文獻(xiàn)[24,25]說明了對(duì)于半螺旋形吸入室,在氣相體積分?jǐn)?shù)較高時(shí),將會(huì)在隔舌處產(chǎn)生旋渦.

由圖6b可以看出,從葉片的工作面到背面,相對(duì)速度的徑向分量逐漸增加,尤其是在葉片遠(yuǎn)離進(jìn)口處的徑向速度分量增加明顯.對(duì)比圖6a和圖6b,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)截面內(nèi)相對(duì)速度的最高值幾乎不變,但是最低值卻在不斷降低.可見螺旋軸流泵葉輪對(duì)流體的做功能力主要體現(xiàn)在增壓上，且在靠近葉輪出口處,速度梯度增加,流動(dòng)變得紊亂.

圖6 葉輪速度矢量分布Fig.6 Velocity vector distribution in impeller

2.3.2導(dǎo)葉上相對(duì)速度矢量圖

在螺旋軸流式油氣混輸泵中,一個(gè)葉輪加一個(gè)導(dǎo)葉構(gòu)成一個(gè)壓縮級(jí).通過葉輪的旋轉(zhuǎn)給流體做功,增加流體的能量.對(duì)于油氣混輸泵,由于葉輪的旋轉(zhuǎn)以及離心力的作用,導(dǎo)致介質(zhì)在流出葉輪時(shí)具有較大的圓周速度以及氣液兩相的不均勻分布情況,這些都將影響螺旋軸流式油氣混輸泵的輸送性能.因此在葉輪之后增加的導(dǎo)葉起著引導(dǎo)流體流動(dòng),減小流體周向速度,并將氣液兩相進(jìn)行混合,降低氣液分離程度的作用.

圖7為導(dǎo)葉從進(jìn)口到出口的速度矢量變化情況.與葉輪截面的相對(duì)速度矢量圖作對(duì)比發(fā)現(xiàn)流體介質(zhì)的圓周速度分量確實(shí)有降低.可以看出,在同一個(gè)流道內(nèi),從壓力面到吸力面,相對(duì)速度在逐漸降低,且隨葉片進(jìn)口到出口,高速區(qū)逐漸集中于葉片壓力面處.但是隨著流動(dòng)靠近導(dǎo)葉出口,在流道處出現(xiàn)明顯的二次回流渦旋現(xiàn)象,如圖7a與7c所示.這將引起泵中流體的二次損耗,嚴(yán)重降低泵的輸送性能.

圖7 導(dǎo)葉相對(duì)速度矢量分布Fig.7 Distribution of relative velocity vector in guide vane

從導(dǎo)葉上的壓力分布也可以看出,兩相不均勻分布的流體經(jīng)過葉輪再流入導(dǎo)葉,該流體的分布依舊是不均勻的.因此使得導(dǎo)葉內(nèi)部分流道壓力較高,而部分流道內(nèi)的壓力卻又極低.可見,兩相流體在吸入室內(nèi)的分離情況對(duì)混輸泵的混輸性能影響極大,需要盡量減少該情況的發(fā)生.

3 泵氣液混輸特性分析

由于在輸送過程中氣相與液相的密度不同,故在葉輪旋轉(zhuǎn)過程中兩相所受到的離心力也就不同.氣相密度比液相密度要小,這將導(dǎo)致氣相在葉輪輪轂處堆積,而液相被甩向葉輪輪緣處,氣液兩相產(chǎn)生分離.氣相從液相中分離出去,嚴(yán)重的將會(huì)堵塞流道,影響油氣混輸泵的輸送性能,降低輸送效率.馬希金等模擬了螺旋軸流式油氣混輸泵氣液兩相在葉輪的分離情況以及氣相在吸入室中的分布情況,得到了抑制氣液分離的一系列方法.

3.1 葉輪氣體體積分?jǐn)?shù)分布

圖8為葉輪第一截面和第三截面的氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖.對(duì)比圖中兩個(gè)截面發(fā)現(xiàn),在流體介質(zhì)剛進(jìn)入葉輪時(shí),氣液兩相大致均勻分布,只在葉片工作面處氣相體積分?jǐn)?shù)相比其他地方較低.這是因?yàn)榱黧w流過葉片邊時(shí),受到葉片的沖擊作用而速度發(fā)生改變.氣體的密度較小,相對(duì)于水速度更容易發(fā)生改變,故而在葉片進(jìn)口處出現(xiàn)液相聚集的現(xiàn)象.隨著流體沿葉輪流道流動(dòng),氣相逐漸向葉輪輪轂處堆積,在靠近輪緣處的體積分?jǐn)?shù)明顯下降,產(chǎn)生氣液分離.這是由于介質(zhì)在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)中的葉輪時(shí),隨葉輪一起旋轉(zhuǎn),氣相與液相均受到離心力的作用,離心力大小為

圖8 葉輪內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.8 Cloud diagrams of volume fraction distribution of gas in impeller

Fi=Miω2ri

式中：Mi為質(zhì)量，kg;ω為角速度,rad/s;ri為氣、液相微元到旋轉(zhuǎn)中心的距離,m.

可以看出,液相的密度相對(duì)氣相要大很多,在相同體積情況下,液相所受到的離心力很明顯要大,這將使得液相被甩向葉輪輪緣處.

3.2 導(dǎo)葉氣體體積分?jǐn)?shù)分布

圖9為導(dǎo)葉三個(gè)截面上的氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖.對(duì)比圖中第一、第二、第三截面的氣相分布,發(fā)現(xiàn)在介質(zhì)剛進(jìn)入導(dǎo)葉域時(shí),氣相體積分?jǐn)?shù)變化較大,氣相集中在導(dǎo)葉吸力面靠近輪轂處.可見經(jīng)過葉輪做功,兩相流體分離更為嚴(yán)重,且氣體聚集在葉輪出口靠近輪轂的地方.從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口,氣相逐漸向壓力面及輪緣處移動(dòng).氣相的體積分?jǐn)?shù)差在逐漸減小,但是減小程度很低,氣相依舊堆積在流道中.可見導(dǎo)葉雖然能對(duì)分離的流體進(jìn)行一定程度的重新混合,但是混合能力較低.

圖9 導(dǎo)葉內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.9 Cloud diagrams of gas volume fraction in guide vane

4 結(jié)論

1) 由于葉片的沖擊,在葉片進(jìn)口處會(huì)出現(xiàn)液體聚集的現(xiàn)象.從葉輪進(jìn)口到出口,氣液兩相的分離情況越來越嚴(yán)重,且氣體聚集在葉輪輪轂靠近工作面的方向,極易發(fā)生堵塞流道的情況.

2) 從葉輪進(jìn)口到出口,工作面的高壓區(qū)在沿背面方向移動(dòng).而在導(dǎo)葉中,從進(jìn)口到出口,高壓區(qū)由輪緣處向輪轂方向移動(dòng).可見導(dǎo)葉對(duì)于流體還起著平衡壓力,降低壓差的作用.

3) 導(dǎo)葉對(duì)流體起著降低周向速度的作用,導(dǎo)葉上的周向速度明顯比葉輪出口處的周向速度要低.且從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口,周向速度在逐漸減小.但是在導(dǎo)葉壓力面速度梯度增加,且在導(dǎo)葉出口有嚴(yán)重的渦旋現(xiàn)象,這會(huì)使得流體流動(dòng)紊亂,能量大量損耗.

4) 油氣混輸泵在旋轉(zhuǎn)域內(nèi)的兩相分離難以避免,而導(dǎo)葉起著重新混合兩相流動(dòng)并降低周向速度分量的作用.但是導(dǎo)葉雖然能在降低周向速度和平衡壓力方面起到一定的作用,但對(duì)已經(jīng)分離的兩相進(jìn)行重新混合的能力較弱.且在導(dǎo)葉內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的渦旋現(xiàn)象,流體能量損失嚴(yán)重,導(dǎo)葉內(nèi)的流動(dòng)損失巨大.因而在對(duì)螺旋軸流式油氣混輸泵的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)加大對(duì)導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)的研究.但是至今對(duì)該泵導(dǎo)葉內(nèi)的流場(chǎng)特性研究較少,大多集中于研究葉輪內(nèi)的流動(dòng)情況,因而在未來的研究過程中可加大這一方面的研究.