新型雙層籠套式節(jié)流閥流場數(shù)值模擬分析

張海鵬 , 張引弟*, 黃孝紅

(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院, 武漢 430100; 2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué)), 武漢 430100)

高壓高產(chǎn)天然氣井在開采的過程中,因其具有流量大、壓力高的特點(diǎn),需使用節(jié)流閥控制管道單位時間內(nèi)流過的流體流量,使井下生產(chǎn)保持較為理想的壓力環(huán)境,保證氣井安全開采與運(yùn)行[1]。但在實(shí)際應(yīng)用中,一方面,國內(nèi)廣泛使用的一級節(jié)流閥的最大壓降在15～25 MPa,往往難以達(dá)到預(yù)期的節(jié)流降壓效果,為滿足生產(chǎn)需要,通常要使用多個節(jié)流閥對氣體進(jìn)行多次降壓,且低溫高壓的使用環(huán)境極易造成在節(jié)流閥局部形成天然氣水合物,引起停工停產(chǎn)甚至安全責(zé)任事故;另一方面,開采的氣體中通常包含著固體顆粒,在節(jié)流閥使用的過程中會對閥芯造成沖擊損壞,經(jīng)常需要對局部零件進(jìn)行維修或更換,大大降低了正常生產(chǎn)的效率,基于以上兩方面原因,本文研究針對籠套式節(jié)流閥的節(jié)流性能和其變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

中外學(xué)者在閥門數(shù)值模擬以及天然氣水合物的生成方面做了大量研究。21世紀(jì)初,李玉星等[2]對天然氣節(jié)流效應(yīng)進(jìn)行了理論研究和案例計(jì)算,歸納總結(jié)了不同壓力范圍下天然氣節(jié)流產(chǎn)生的溫降和溫升效應(yīng)規(guī)律。李穎川等[3]對溫降效應(yīng)機(jī)理模型的通用性進(jìn)行了驗(yàn)證。張曉東等[4]運(yùn)用CFD數(shù)值模擬的方法,對錐形節(jié)流閥的壓降特性和節(jié)流特性進(jìn)行了規(guī)律研究,為錐形節(jié)流閥的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論條件。Moujaes等[5]通過試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬的方法對閥門進(jìn)行了3種開度下的研究,計(jì)算了損失系數(shù)K和流量系數(shù)Cv,驗(yàn)證了耗損系數(shù)與雷諾數(shù)無關(guān),流量系數(shù)的最大值會隨雷諾數(shù)的變化而發(fā)生改變。Kim等[6]通過實(shí)驗(yàn)對蝶閥的流動性能進(jìn)行了研究,分析得到了閥門開度對閥門的流量系數(shù)和閥門的損失系數(shù)的影響規(guī)律。馮素敬等[7]通過模擬的方法研究了閥芯尺寸、節(jié)流開度對閥芯的速度場和壓力場的影響,依據(jù)研究結(jié)果在塔里木油田試用后,產(chǎn)生了較好的效果。李智博等[8]通過控制變量法,分別對不同進(jìn)口溫度、流量的閥門進(jìn)行了模擬分析,對流場規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。付來強(qiáng)[9]綜合運(yùn)用流體力學(xué)和傳熱理論,結(jié)合實(shí)際情況,重點(diǎn)關(guān)注了節(jié)流閥節(jié)流孔處的溫壓變化規(guī)律,為避免局部形成天然氣水合物的生成條件提供了指導(dǎo)。近年來,眾多國內(nèi)學(xué)者結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況,分別對U形節(jié)流閥[10]、直板式節(jié)流閥[11]、籠套式節(jié)流閥[12]、固定式節(jié)流閥[13]內(nèi)的流場分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,得出了閥內(nèi)流場分布的基本規(guī)律和特點(diǎn)。聶濤等[14]、常漢卿[15]、周勁輝等[16]和朱軍龍等[17]在此基礎(chǔ)上,通過數(shù)值模擬的方法,提出了適用于超高壓環(huán)境下節(jié)流閥閥體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。竇益華等[18]和賈文龍等[19]分別采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方式探究節(jié)流閥在高壓環(huán)境下的沖蝕規(guī)律,得出了閥體材料、沙礫沖擊角度等因素對閥體結(jié)構(gòu)沖蝕速率的影響。張永星等[20]考慮到天然氣在節(jié)流設(shè)備中的蠟沉積問題,圍繞孔板式節(jié)流閥的使用特點(diǎn),通過數(shù)值模擬方法,分析了孔板式節(jié)流閥內(nèi)蠟沉積特性。

針對改進(jìn)后的新型雙層籠套式節(jié)流閥進(jìn)行流場模擬分析,現(xiàn)通過流體模擬,與傳統(tǒng)式節(jié)流閥相比,驗(yàn)證其具有更好的節(jié)流效果,并通過分析流場特點(diǎn)證明其可靠性,重點(diǎn)探究流體流動參數(shù)、閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對節(jié)流閥節(jié)流性能的影響規(guī)律,并以此規(guī)律為基礎(chǔ),給出實(shí)際工程使用時的合理建議和討論。對國內(nèi)高壓氣井環(huán)境下改進(jìn)設(shè)備性能、提高天然氣開采節(jié)流效果、保證現(xiàn)場生產(chǎn)安全、降低設(shè)備維護(hù)成本具有重要意義。

1 籠套式節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

籠套式節(jié)流閥在20世紀(jì)80年代開始在國內(nèi)應(yīng)用。工業(yè)中常使用的節(jié)流閥主要有兩種類型:一是內(nèi)籠套式,二是外籠套式。外套-籠套式節(jié)流閥是利用外閥套在籠套外表面移動來改變過流面積從而達(dá)到改變壓力與流量的目的,籠套-柱塞式節(jié)流閥是通過柱塞在外籠套內(nèi)滑動來改變過流面積從而達(dá)到改變閥門流量和壓力的目的。按照其通道方式,又可分為直通式節(jié)流閥和角式節(jié)流閥兩種;按照籠套層數(shù)將節(jié)流閥又可分為單層籠套式節(jié)流閥和多層籠套式節(jié)流閥。本文研究的基本模型為外籠套式節(jié)流閥,傳統(tǒng)籠套式節(jié)流閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1為壓蓋;2為內(nèi)六角錐端緊定螺釘;3為指示套;4為支承套;5為方形圈;6為內(nèi)六角緊定螺釘;7為手輪;8為護(hù)罩;9為閥桿螺母;10為方形圈;11為油杯;12為推力球軸承;13為壓圈;14為限位塊;15為墊圈;16為閥桿盤根;17為擋圈;18為止動墊片;19為中法蘭墊圈;20為扶正套;21為擋圈;22為卸壓螺釘;23為外套;24為上閥座;25為密封圈;26為下閥座密封環(huán);27為密封圈;28為下閥座;29為內(nèi)套;30為閥體;31為襯板;32為銘牌;33為鉚釘;34為螺栓;35為螺母;36為軸承座;37為閥蓋;38為閥桿;39為蝶形螺釘;40為內(nèi)六角緊定螺釘;41為襯套圖1 傳統(tǒng)籠套式節(jié)流閥二維示意圖Fig.1 Two-dimensional diagram of traditional cage throttlevalve

2 節(jié)流性能對比

新型籠套式節(jié)流閥相比于傳統(tǒng)節(jié)流閥,同時完成了兩次節(jié)流,其節(jié)流性能應(yīng)優(yōu)于傳統(tǒng)籠套式節(jié)流閥。接下來通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

對模型閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,根據(jù)實(shí)際流場建立幾何模型,如圖2所示,出入口公稱直徑為130 mm,流體從水平進(jìn)口段流入,流經(jīng)節(jié)流閥后由豎直出口段流出。對流量環(huán)和閥腔內(nèi)部的流體域劃分四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為保證計(jì)算的精度和效率,對計(jì)算流體域網(wǎng)格的無關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證,最終采用的網(wǎng)格尺寸為8 mm,傳統(tǒng)型籠狀結(jié)構(gòu)模型和新型籠狀結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格數(shù)量分別為845 287個和941 711個。

圖2 物理模型和網(wǎng)格劃分Fig.2 Physical model and mesh

2.2 邊界條件

對邊界條件進(jìn)行設(shè)置,近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法,固壁面使用無滑移邊界條件,進(jìn)、出口邊界條件采用壓力入口與壓力出口,入口壓力及出口壓力以中國南部某氣田未來5年預(yù)測的產(chǎn)氣量及壓力為依據(jù)來設(shè)定,入口壓力設(shè)為3×106MPa,出口壓力設(shè)為1×106MPa;入口溫度為283 K。

需要指出,定義甲烷密度時,不能按照常數(shù)來定義。在天然氣流經(jīng)節(jié)流閥的過程中會發(fā)生焦耳-湯姆遜效應(yīng),溫度會發(fā)生變化,并且也會有一定程度上的壓力變化,而甲烷的密度隨溫度和壓力的變化明顯,故不能用常數(shù)。基于此,采用的是理想氣體,這樣比較符合實(shí)際的運(yùn)動規(guī)律。

2.3 模擬結(jié)果

將新型籠狀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型籠狀結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析,模擬云圖如圖3和圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)籠狀結(jié)構(gòu)流體速度分布云圖Fig.3 Cloud image of fluid velocity distribution in traditional cage structure

圖4 新型籠狀結(jié)構(gòu)流體速度分布云圖Fig.4 Nephogram of fluid velocity distribution in a novel cage structure

模擬結(jié)果顯示:流體入口段壓力、速度、溫度等參數(shù)分布均勻,當(dāng)流體要通過節(jié)流孔進(jìn)入環(huán)形腔時,由于流通面積突然減小,流體受到壁面的阻擋,速度的大小和方向發(fā)生改變,在環(huán)形腔上下兩側(cè)靠近壁面處形成渦流;通過節(jié)流孔時,在焦耳-湯姆遜效應(yīng)的作用下,流體快速通過節(jié)流孔,速度急劇增大,壓力迅速降低,并產(chǎn)生局部低溫;通過節(jié)流孔后,在巨大的壓差下,從不同節(jié)流孔流出的流體相互撞擊,在碰撞的中心區(qū)域流速下降,形成渦流,壓力略有回升;最終流體通過出口管段流出,速度減小且保持穩(wěn)定。

由表1可以看出,對兩種模型設(shè)置相同的邊界條件時,新型籠狀結(jié)構(gòu)節(jié)流閥的總體性能優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu):一方面,天然氣在流經(jīng)節(jié)流孔時產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng),當(dāng)入口溫度確定后,壓力成為決定水合物生成與否的關(guān)鍵因素,在新型結(jié)構(gòu)中,流體流經(jīng)節(jié)流孔時,通過兩級降壓,節(jié)流孔壓力降低幅度較緩,局部最小壓力更低,相比于傳統(tǒng)式籠狀結(jié)構(gòu),局部最低壓力下降9.5%,最低溫度提高7.8%,在同樣的外界條件下,更難以達(dá)到低溫高壓的水合物生成條件,因此閥內(nèi)更不易生成天然氣水合物造成設(shè)備堵塞;另一方面,對于單層籠套式節(jié)流閥,較大的流速是影響其使用壽命的主要因素,通過分析流體在閥內(nèi)的流場,新型結(jié)構(gòu)閥內(nèi)最高流速為482.8 m/s,低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最大流速548.8 m/s,在使用相同的閥體材料時,使用新型雙層籠套式節(jié)流閥可以一定程度上弱化流體對節(jié)流孔邊緣的沖刷作用,提高易損部件的使用壽命。

表1 節(jié)流數(shù)據(jù)對比Table 1 Throttling data comparison

綜合上述分析,在相同的工況條件下,新型籠狀結(jié)構(gòu)在能達(dá)到較好的降壓效果的同時,還能一定程度上減小氣流對節(jié)流孔口等構(gòu)件的沖刷作用,具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性,大大延長了節(jié)流閥的使用壽命。

3 節(jié)流模擬結(jié)果

通過改變運(yùn)行流體流動參數(shù)和節(jié)流孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對新型籠套式節(jié)流閥的內(nèi)部流場規(guī)律進(jìn)行分析和探究。

3.1 流體流動參數(shù)改變

分別改變節(jié)流閥入口壓力、出口壓力、入口溫度,探究其對內(nèi)部流場的影響。具體工況設(shè)置如表2所示。

表2 流體參數(shù)改變工況設(shè)置Table 2 Fluid parameters change operation settings

以入口溫度為303 K對應(yīng)工況為例,模擬結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 流體壓力分布云圖Fig.5 Fluid pressure distribution cloud picture

圖6 流體溫度分布云圖Fig.6 Fluid temperature distribution cloud picture

圖7 流體速度分布云圖Fig.7 Fluid velocity distribution cloud picture

3.2 節(jié)流孔結(jié)構(gòu)參數(shù)改變

分別改變節(jié)流孔尺寸、節(jié)流孔形狀,探究其對內(nèi)部流場的影響,在改變節(jié)流孔形狀時,通過調(diào)整邊長保證各個形狀下流場通道的橫截面積保持不變。具體工況設(shè)置如表3所示。

表3 節(jié)流孔結(jié)構(gòu)參數(shù)改變工況設(shè)置Table 3 Orifice structure parameters change the operating condition setting

3.2.1 節(jié)流孔尺寸大小變化

圓形節(jié)流孔半徑為7 mm對應(yīng)工況模擬結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 流體壓力分布云圖Fig.8 Fluid pressure distribution cloud picture

圖9 流體溫度分布云圖Fig.9 Fluid temperature distribution cloud picture

圖10 流體速度分布云圖Fig.10 Fluid velocity distribution cloud picture

3.2.2 節(jié)流孔形狀變化

圓形節(jié)流孔、正三角形節(jié)流孔、正方形節(jié)流孔和橢圓形節(jié)流孔節(jié)流閥對應(yīng)速度分布云圖如圖11所示。

圖11 不同形狀節(jié)流孔速度分布云圖Fig.11 Cloud chart of velocity distribution of orifices with different shapes

4 節(jié)流規(guī)律分析

影響節(jié)流閥節(jié)流效應(yīng)的因素主要有流動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合上文對各種參數(shù)變化對應(yīng)工況的模擬,對其結(jié)果分析如下。

由圖12可知,節(jié)流孔內(nèi)最低溫度隨著入口壓力的增大呈線性降低,最大壓差、最大速度和最大溫差隨著入口壓力的增大呈線性增大;由圖13可知,最低溫度隨著出口壓力的增大呈線性增大,最大壓差、最大速度和最大溫差隨著入口壓力的增大呈線性減小。該變化規(guī)律與傳統(tǒng)節(jié)流閥節(jié)流參數(shù)隨入口壓力的變化規(guī)律一致。當(dāng)更大入口壓力的流體流經(jīng)節(jié)流閥時,由于流體所具有的能量更大,對于相同大小和形狀的流道,通過節(jié)流孔的流體質(zhì)量也會隨之增大,產(chǎn)生更劇烈的能量變化,進(jìn)而導(dǎo)致局部流速更大,又由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)的影響,局部的溫度也變得更低,因而形成了節(jié)流孔處最低溫度與入口壓力大小成反比,節(jié)流孔處最大速度與入口壓力大小成正比的變化規(guī)律。

圖12 不同入口壓力下的節(jié)流閥流場規(guī)律Fig.12 The law of throttle valve flow field under different inlet pressure

圖13 不同出口壓力下的節(jié)流閥流場規(guī)律Fig.13 The flow field law of throttle valve under different outlet pressure

由圖14可知,隨著入口溫度的上升,最大壓差、最大溫差基本保持不變,最低溫度、最大速度有增大的趨勢。整體來看,入口溫度的改變對閥內(nèi)流體的影響不大。雖然流體溫度的上升加強(qiáng)了流體之間的相互擾動,使得流體流經(jīng)節(jié)流孔時最大速度有所提高,但同時也加強(qiáng)了流體流經(jīng)節(jié)流孔前后所產(chǎn)生的渦流,造成了一部分能量損失,因此入口溫度的改變對閥內(nèi)的壓力變化沒有產(chǎn)生較大影響,節(jié)流孔處溫度變化與入口處溫度變化基本保持一致。

圖14 不同入口溫度下的節(jié)流閥流場規(guī)律Fig.14 The flow field law of throttle valve at different inlet temperature

由圖15可知,隨著節(jié)流孔尺寸的增大,流體流通面積也隨之增大。在本文設(shè)置工況下,節(jié)流孔尺寸為4 mm左右時流體流場規(guī)律發(fā)生明顯改變,當(dāng)節(jié)流孔尺寸小于4 mm時,隨著節(jié)流孔尺寸的增大,節(jié)流孔內(nèi)最低溫度隨之增大,最大速度、最大壓差和最大溫差隨之減小;當(dāng)節(jié)流孔尺寸大于4 mm時,隨著節(jié)流孔尺寸的增大,節(jié)流孔內(nèi)最低溫度隨之減小,最大速度、最大壓差和最大溫差隨之增大。這表明,在實(shí)際工程中,也必然存在適用于當(dāng)前溫壓環(huán)境、當(dāng)前節(jié)流閥特點(diǎn)的最佳節(jié)流孔尺寸,以此來調(diào)節(jié)節(jié)流閥局部的溫度、壓力和速度,從而達(dá)到較優(yōu)的節(jié)流性能。

圖15 不同節(jié)流孔尺寸下的節(jié)流閥流場規(guī)律Fig.15 The law of throttle valve flow field under different orifice sizes

由圖16可知,節(jié)流孔分別為流通面積相同的圓形、正方形、正三角形和橢圓形時,最大壓差、最低溫度和最大溫差變化不大,但由于節(jié)流通道形狀發(fā)生變化,節(jié)流孔處的流體阻力也會發(fā)生改變,對流經(jīng)節(jié)流孔的流體速度產(chǎn)生了顯著影響,結(jié)合流線圖對速度場進(jìn)一步分析,圖17所示為圓形節(jié)流孔對應(yīng)的節(jié)流閥內(nèi)部流體的流動跡線,通過對不同形狀下節(jié)流閥內(nèi)部流場跡線的對比,三角形節(jié)流孔的籠套式節(jié)流閥閥內(nèi)流場的漩渦數(shù)量最少、漩渦尺寸最小;橢圓形節(jié)流孔籠套式節(jié)流閥、正方形節(jié)流孔籠套式節(jié)流閥次之;圓形節(jié)流孔籠套式節(jié)流閥內(nèi)部漩渦數(shù)量最多、尺寸最大。

圖16 不同節(jié)流孔形狀下的節(jié)流閥流場規(guī)律Fig.16 The law of throttle valve flow field under different orifice shapes

圖17 圓形節(jié)流孔流體流動跡線Fig.17 Fluid flow trace of circular orifice

以圓形節(jié)流孔為例分析其節(jié)流性能如下。一方面,圓形節(jié)流孔節(jié)流閥內(nèi)的流體射流碰撞最為激烈,造成的壓強(qiáng)梯度和速度梯度變化最大,因此圓形節(jié)流孔內(nèi)部局部速度最大,壓力、溫度最低,對節(jié)流孔邊緣的沖刷作用最強(qiáng)烈,對節(jié)流閥閥體造成的磨損最大,同時其內(nèi)部產(chǎn)生的渦流也導(dǎo)致使用圓形節(jié)流孔時流體的能量損耗較大;但另一方面,從整體上來看,節(jié)流孔形狀的改變對局部最低溫度的影響不大,當(dāng)溫度處于一定范圍內(nèi)時,較低的局部壓力使得圓形節(jié)流孔節(jié)流閥內(nèi)部更不易生成天然氣水合物,可以有效防止節(jié)流閥局部堵塞而影響正常的節(jié)流降壓。綜合以上分析,不同的節(jié)流孔形狀的節(jié)流特點(diǎn)也各有不同,工作性能也各有優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際使用中,因圓形節(jié)流孔方便生產(chǎn),且安全可靠性高,因此以圓形節(jié)流孔應(yīng)用最為廣泛。

5 結(jié)論

(1)天然氣井開采時,高壓氣體需通過節(jié)流閥降壓處理,常用的一級籠套式節(jié)流閥降壓效率較低,在實(shí)際工程中難以一次性達(dá)到理想的降壓效果,需要多次降壓,使用新型雙層籠套式節(jié)流閥可以在一定程度上彌補(bǔ)這一缺點(diǎn),同時可以降低設(shè)備的維護(hù)成本。經(jīng)模擬驗(yàn)證,相比于傳統(tǒng)籠套式節(jié)流閥,新型籠套式節(jié)流閥在節(jié)流孔局部的最低壓力降低9.5%,最低溫度提高7.8%,最大速度降低12.0%。

(2)通過改變流體流動參數(shù),得出了最大壓差、最大速度、最大溫差、最低溫度隨入口壓力、入口溫度和出口壓力的變化規(guī)律,不同工況下的節(jié)流降溫規(guī)律可以為安全使用節(jié)流閥提供參考。在工程中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境調(diào)整節(jié)流閥出入口溫度和壓力,防止節(jié)流閥內(nèi)產(chǎn)生天然氣水合物堵塞設(shè)備。

(3)通過改變節(jié)流孔結(jié)構(gòu)參數(shù),得出了最大壓差、最大速度、最大溫差、最低溫度隨節(jié)流孔尺寸、節(jié)流孔形狀的變化特點(diǎn),并以圓形節(jié)流孔為例,結(jié)合速度流線圖,得出其雖然能量損耗大、對節(jié)流閥閥體磨損作用強(qiáng),但其較低的局部壓力使得圓形節(jié)流孔局部最不易形成生成天然氣水合物的條件,在實(shí)際的生產(chǎn)中,相比其他形狀具有更可靠的安全保障。

(4)為減少節(jié)流閥中形成天然氣水合物堵塞的可能性,工藝參數(shù)上,可采用控制流體流速、流體壓力的方法;節(jié)流閥選擇上,選用符合實(shí)際生產(chǎn)要求的節(jié)流孔孔徑等方法。