超高壓多級(jí)籠套式節(jié)流閥的壓差分析

聶 濤，胡桂川，周 群，趙 杭，李顯勇

（重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 101331）

0 引言

天然氣開采環(huán)境惡劣、難度大，其流量達(dá)到30～90 萬方/每天，壓力最高可達(dá)到90～120 MPa［1］，并且開采的氣體當(dāng)中通常包含著不同程度的固體顆粒，比如井底巖屑顆粒。由于天然氣開采的管道需到達(dá)底面很深的地方，地層的壓力大，再加上天然氣受熱膨脹，導(dǎo)致了天然氣流出井口進(jìn)入采氣樹的壓力非常高。而集輸管網(wǎng)的主壓力分2 個(gè)等級(jí)，中壓管道的壓力為1.6～10 MPa，高壓管道的壓力為10～16 MPa［2］，因此，對(duì)于一級(jí)節(jié)流閥，節(jié)流閥的最大壓降為15～25 MPa［3］。要把天然氣從開采初期的壓力降到主管網(wǎng)的壓力就需要使用多個(gè)節(jié)流閥，且國(guó)內(nèi)的節(jié)流閥被國(guó)外的公司壟斷，進(jìn)口價(jià)格昂貴、采購(gòu)周期長(zhǎng)、維修不便。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某國(guó)外型號(hào)的節(jié)流閥在使用的過程中，出現(xiàn)了大批量的閥體防腐堆焊層和籠閥芯被沖蝕損壞的現(xiàn)象，僅2014 年檢修就發(fā)現(xiàn)有幾十個(gè)閥芯出現(xiàn)不同程度的損壞，對(duì)于如此頻繁的節(jié)流閥失效狀況，不僅增加了油氣田的開發(fā)成本，也嚴(yán)重的危及了安全生產(chǎn)和正常作業(yè)，使生命財(cái)產(chǎn)埋下了安全隱患［4-5］。

因此，為了減小天然氣的采氣成本，增加采氣效率，自主研發(fā)設(shè)計(jì)節(jié)流閥就有著非常重要的意義。本文提出了一種具有四級(jí)節(jié)流效果的籠套式節(jié)流閥，該四級(jí)節(jié)流效果主要通過閥芯的壁面小孔和底面小孔構(gòu)成四次節(jié)流，來提高節(jié)流閥的壓力調(diào)節(jié)范圍。數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)在很大的程度上取代了傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法［6-9］，其具有方便、高效、成本低以及可視化的模擬流動(dòng)規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)閥芯的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行氣固液多相流的分析，得出籠套式節(jié)流閥內(nèi)部閥芯各處的壓力分布以及各處的磨損情況，證明設(shè)計(jì)閥芯結(jié)構(gòu)的可靠性［10］。

1 小孔節(jié)流原理和基本理論模型

以一個(gè)短壁小孔為例，來解釋小孔節(jié)流壓降的計(jì)算方法［11］，小孔節(jié)流原理如圖1 所示。

圖1 小孔節(jié)流原理Fig.1 Schematic diagram of orifice throttling

單孔節(jié)流壓差計(jì)算式為：

式中 ΔP ——小孔的節(jié)流壓差，Pa；

ρ ——流體密度，kg/m3；

Q ——?dú)怏w的流量，m3/s；

Cd——為小孔的流量系數(shù)，取Cd=0.9；

d ——小孔直徑，m。

對(duì)于有多個(gè)節(jié)流小孔的情況，因?yàn)樾】椎慕Y(jié)構(gòu)都相同，所以速度和節(jié)流壓差都相同只是流量分配不同而已，由式（1）可以推導(dǎo)出：

又d1=d2=…=dn=d，可以得出：

沖蝕磨損和顆粒物速度的沖蝕模型如下：

其中

式中 E ——壁面沖蝕磨損率，kg/（m2·s）；

γ1——顆粒路徑與靶材表面相對(duì)角度；

Vp——顆粒速度，m/s；

RT——切向恢復(fù)比；

γ0——最大磨損角；

V1，V2，V3，K1，K12——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)［12-16］。

2 數(shù)值模擬過程

2.1 新型超高壓籠套式節(jié)流閥裝配設(shè)計(jì)

對(duì)多級(jí)籠套式節(jié)流閥進(jìn)行整體上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2 所示。閥體采用鍛造，精加工。

圖2 四級(jí)逐級(jí)減壓籠套式節(jié)流閥示意Fig.2 Schematic diagram of four-stage progressive decompression cage type throttle valve

2.2 模型的幾何參數(shù)

新型多級(jí)籠套式節(jié)流閥閥芯部位主要由三級(jí)套筒和閥芯出口小孔底座構(gòu)成。三級(jí)套筒包括外層套筒、中間套筒、內(nèi)層套筒，其中外層套筒和中間套筒小孔成6×60°縱向排布，小孔個(gè)數(shù)為72 個(gè)；內(nèi)層套筒小孔的個(gè)數(shù)為6，5，4，3，2，1，成等差數(shù)列縱向排布，共21 個(gè)小孔，滿足介質(zhì)流量均勻變化。表1 為超高壓籠套式節(jié)流閥模型幾何參數(shù)。

表1 超高壓籠套式節(jié)流閥模型幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of ultra-high pressure cage type throttle valve model

閥桿可以在三級(jí)套筒內(nèi)部移動(dòng)，開度范圍在30～66 mm 之間，可以根據(jù)不同流量的需求來調(diào)節(jié)開度的范圍。

2.3 新型超高壓籠套式節(jié)流閥閥芯結(jié)構(gòu)和流道的物理模型

圖3 所示為本文設(shè)計(jì)提出的籠套式節(jié)流閥的閥芯結(jié)構(gòu)。

圖3 閥芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流道物理模型Fig.3 The internal structure of the spool and the physical model of the flow channel

在Workbench designmolder 中，提取閥芯內(nèi)部流道，圖3（b）為傳統(tǒng)的單層籠套式閥芯結(jié)構(gòu)，由于單層的壓力降范圍比較小，想達(dá)到主管網(wǎng)的壓力，就必須使用多個(gè)節(jié)流閥，導(dǎo)致節(jié)流的成本比較大，因此，圖3（c）（b）的基礎(chǔ)上，在閥芯的內(nèi)部嵌套兩層套筒，通過多級(jí)小孔的節(jié)流來增大節(jié)流閥調(diào)節(jié)壓力的范圍。圖3（d）是在圖3（c）的基礎(chǔ)上通過改變每層套筒小孔之間的相對(duì)位置，使得閥芯內(nèi)部流體流過的方向發(fā)生多次改變，來進(jìn)一步提高籠套式節(jié)流閥的壓降范圍。通過分析現(xiàn)場(chǎng)籠套式節(jié)流閥破壞情況可知，籠套式節(jié)流閥的壽命一般很短，大多數(shù)都是流體內(nèi)部包含一些固體小顆粒，在高速氣體的流動(dòng)中對(duì)套筒的小孔造成沖蝕，導(dǎo)致小孔破壞造成的。并且在檢修時(shí)，更換閥芯套筒較困難。因此，通過研究發(fā)現(xiàn)，在閥芯出口部位，增加帶小孔的底座，可以把套筒上的磨損，轉(zhuǎn)移一部分到底座上的小孔。減小套筒的破壞程度，維修時(shí)只需更換閥芯底座即可，這在一定程度上提高了籠套式節(jié)流閥閥芯的壽命。如圖3（e）就是帶底座的閥芯的流道。圖4 為具體的節(jié)流元件的結(jié)構(gòu)。

圖4 節(jié)流元件及流向剖面示意Fig.4 Schematic diagram of throttling element and flow direction section

2.4 邊界條件及CFD 的參數(shù)設(shè)置

入口壓力75.6 MPa，出口壓力50 MPa，入口溫度為63.78 ℃，出口溫度為48.36 ℃，壁面采用無滑移固定壁面。圖5 中的原點(diǎn)為坐標(biāo)中心點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)（小孔出入口的中心點(diǎn)）定義如下：測(cè)點(diǎn)1（0.023，0，0.014），測(cè)點(diǎn)2（0.030，0，0.014），測(cè)點(diǎn)3（0.035 36，0.009 48，0.014），測(cè)點(diǎn)（0.044 43，0.011 91，0.014），測(cè)點(diǎn)（0.053 97，-0.014 46，0.001 4），測(cè)點(diǎn)6（0.062 79，-0.016 82，0.001 4），測(cè)點(diǎn)7（0.023，0，0.014），測(cè)點(diǎn)8（0.030，0，0.014），測(cè)點(diǎn)9（0.036 61，0，0.014），測(cè)點(diǎn)10（0.046，0，0.014），測(cè)點(diǎn)11（0.055 88，0，0.014），測(cè)點(diǎn)12（0.065，0，0.014）；定義監(jiān)測(cè)面為：監(jiān)測(cè)面1（0.023，0，0.011；0.023，-0.003，0.014；0.023，0，0.017）；監(jiān)測(cè)面2（經(jīng)過點(diǎn)（0.023，0，0.014），方向垂直于出口平面），監(jiān)測(cè)面3（經(jīng)過點(diǎn)（0.023，0，0.020），方向垂直于出口平面），監(jiān)測(cè)面4（模型的對(duì)稱面）。

圖5 孔監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.5 Location of hole monitoring points

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 壓力降的范圍與不同結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

圖6 中（a）～（d）分別為4 種不同結(jié)構(gòu)流道XOZ 平面的壓力等值分布云圖。從圖中可以看出，第2 種結(jié)構(gòu)的流道相比于第1 種結(jié)構(gòu)流道，壓力在每層套筒之間比較高，說明壓力都被嵌套的套筒給阻擋了，并且第3 層小孔的出口內(nèi)部壓力等值云圖比第1 種的明顯小很多，說明3 層套筒嵌套的結(jié)構(gòu)提高了籠套式節(jié)流閥的壓力降范圍。對(duì)比第2 種和第3 種3 層嵌套的套筒可以看出，第3 種壓力明顯高于第2 種，說明閥芯小孔錯(cuò)開分布結(jié)構(gòu)的流道比閥芯小孔對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)的流道具有更好節(jié)流降壓的效果。對(duì)比第4 種和第3 種可以看出，壓力基本都在閥芯腔體內(nèi)就被降下來了，如圖7 所示。綜上所述，第4 種結(jié)構(gòu)提升壓力降的范圍最大，節(jié)流效果最明顯。

圖6 XOZ 平面的壓力等值分布云圖Fig.6 Nephogram of pressure equivalence distribution on XOZ plane

圖7 XOY 平面的壓力等值分布云圖Fig.7 Nephogram of pressure equivalence distribution on XOY plane

對(duì)12個(gè)點(diǎn)的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖8所示，設(shè)置入口壓力為75.6 MPa，出口壓力為50 MPa，所以不考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，7 和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6，12 的壓力降，由仿真結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5，4，3，2 對(duì)應(yīng)的平均壓力值壓力值為5.531 72×107，5.428 24×107，5.324 81×107，5.042 75×107Pa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)11，10，9，8 對(duì)應(yīng)的平均壓力值分別為6.752 53×107，6.334 11×107，5.972 72×107，5.337 47×107Pa，小孔對(duì)稱和小孔錯(cuò)開1 級(jí)降壓、2 級(jí)降壓、3 級(jí)降壓比分別為1.019，1.066，1.019，1.061，1.056，1.119，降壓比值對(duì)比如圖8（d）可知，小孔錯(cuò)開的結(jié)構(gòu)比小孔對(duì)稱的結(jié)構(gòu)各級(jí)的降壓值比都提高了一定范圍，由此可見小孔錯(cuò)開結(jié)構(gòu)的壓力降大于小孔對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。

圖8 小孔對(duì)稱和小孔錯(cuò)開六個(gè)小孔中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力值分析Fig.8 Analysis of the pressure value at the center monitoring points of six small holes with symmetric and staggered small holes

3.2 速度變化范圍與不同結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

由式（4）～（6）可知，沖蝕磨損率和速度的四次方成正比，小孔內(nèi)的顆粒物速度大小決定了小孔內(nèi)壁沖蝕磨損。圖9 示出XOZ 平面的速度等值分布，可以看出，隨著結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，小孔內(nèi)的速度云圖逐漸變淺，意味著小孔內(nèi)的速度越來越低。

圖9 XOZ 平面的速度等值分布云圖Fig.9 Nephogram of velocity equivalence distribution on XOZ plane

從圖10 可以看出，4 種結(jié)構(gòu)第3 層最右邊小孔中心點(diǎn)的速度平均值分別為342，362，462，466 m/s。由式（4）可知，磨損量與速度的大小成正比，速度越小磨損量也就越低。

圖10 第3 層最右邊小孔中心點(diǎn)的速度Fig.10 Velocity of the center point of the rightmost small hole in the third layer

3.3 速度矢量圖與不同結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

結(jié)合圖11 和圖12，第1 種，第2 種，第3 種，第4 種所對(duì)應(yīng)的圓柱平面平均質(zhì)量流率分別為0.127 1，0.118，0.075 85，0.065 58 kg/s，得出第1 種結(jié)構(gòu)的籠套式節(jié)流閥節(jié)流后損失的能量較小，第4種結(jié)構(gòu)的籠套式節(jié)流閥節(jié)流后損失的能量較大。

圖11 XOZ 平面的速度矢量圖11 Velocity vector diagram of XOZ plane

圖12 第3 層最右邊小孔中心點(diǎn)的小孔圓柱平面質(zhì)量流率Fig.12 The mass flow rate analysis of the small hole cylindrical plane at the center of the rightmost small hole in the third layer

4 結(jié)論與展望

（1）三級(jí)套筒籠套式節(jié)流閥可以在1 個(gè)節(jié)流閥內(nèi)對(duì)管內(nèi)的流體進(jìn)行3 次節(jié)流。把原有的一級(jí)節(jié)流閥閥芯的腔體分割成多個(gè)節(jié)流的小腔體，利于精確地流量控制。原先3 次節(jié)流需要3 個(gè)節(jié)流閥，本文只需單個(gè)節(jié)流閥，減少了節(jié)流閥的使用數(shù)量，節(jié)約了成本。跟單個(gè)一級(jí)節(jié)流閥相比，壓力降提高了1.85 倍左右，這種結(jié)構(gòu)的節(jié)流閥可以應(yīng)用于節(jié)流壓差很大的管網(wǎng)。

（2）小孔不對(duì)稱和小孔對(duì)稱相比，由于多次改變流體的方向，在每層套筒之間的腔體中，前后節(jié)流壓差分別提高了0.047，0.042，0.063 倍，最后總的壓力降提高了0.152 倍。

（3）在三級(jí)套筒的閥芯出口處，使用一個(gè)或多個(gè)帶小孔的圓形底座，可以把在三級(jí)套筒上小孔的磨損轉(zhuǎn)移一部分到底座上，減少套筒小孔上的磨損，維修時(shí)只需更換閥芯的底座，增加了籠套式節(jié)流閥的整體壽命。

現(xiàn)有的節(jié)流閥具有工作壽命短、小孔磨損量大、穩(wěn)定性差等問題。其工作周期并沒有一個(gè)完整的體系，不知道何時(shí)節(jié)流閥會(huì)發(fā)生破壞，何時(shí)應(yīng)該更換。因此多級(jí)籠套式節(jié)流閥的研發(fā)具有重要的工程研究?jī)r(jià)值，在石油、化工等領(lǐng)域有著很不錯(cuò)的前景。此外，還存在一些其他對(duì)節(jié)流閥降壓穩(wěn)定性的因素，比如高速氣流帶來的節(jié)流閥振動(dòng)、噪聲等都需要進(jìn)一步做深入研究。