多級壓縮機氣閥壽命評估與極限含水量預測

基金項目：西安交通大學-中石化股份有限公司西北油田分公司校企合作項目“多介質條件下高壓注氣工藝研究”（20211182）。

針對目前油田天然氣回注具有介質含水多、壓力高且變化范圍寬等特點，多級往復式壓縮機容易產生水擊破壞，如何預測極限含水量以有效防止水擊是亟需解決的關鍵問題。采用計算流體力學方法，數(shù)值模擬并分析了多級壓縮機注入濕氣條件下各級氣閥閥片的動力學特性，得到了不同天然氣含水量的氣閥閥片載荷分布。進一步結合nCode計算疲勞，預測了多級壓縮機氣閥服役壽命與極限含水量。JGC-4型壓縮機模擬計算結果表明：隨著進氣含水量增大，壓縮機排氣壓力提高，氣缸內不斷析出水滴，致使水擊產生，且對高壓級影響更為顯著，壓縮機整機進氣含水體積分數(shù)上限為0.43%。研究結果可為多級往復式壓縮機的應用提供技術支撐。

注氣用壓縮機；往復式壓縮機；水擊破壞；VOF模型；疲勞壽命

TE974

A

015

Service Life Evaluation and Ultimate Water Content

Prediction on Gas Valve of Multistage Compressor

Li Peng^1，2 Zhang Tonghe³ Gao Qiuying^1，2 Sun Yongyao^1，2 Sun Jinju³

（1.SINOPEC Northwest Company of China Petroleum and Chemical Corporation; 2.Key Laboratory for Enhanced Oil Recovery of Carbonate Fractured-Vuggy Reservoir， Sinopec; 3.School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University）

Gas reinjection in oilfields has the characteristics such as water contained in medium， high and wide variable range of pressure， the multistage reciprocating compressor is easily damaged by water hammer. How to predict the ultimate water content to effectively prevent water hammer is a key issue that urgently needs to be solved. In this paper， with the help of the computational fluid dynamics method， the dynamic characteristics of all levels of gas valve plates in multistage compressor under wet gas injection conditions were numerically simulated and analyzed， obtaining the load distribution of gas valve plates under different water contents of natural gas. Then， using the nCode software， the service life and ultimate water content of gas valves in multistage compressor were predicted. The simulation calculation results of JGC-4 compressor show that as the water content of incoming gas increases， the discharge pressure of the compressor increases， and water droplets continuously separates in the cylinder， causing water hammer to occur， which has more obvious influence on high pressure stage. The upper limit of water content in incoming gas of the compressor is 0.43%. The research results provide technical support for the application of multistage reciprocating compressors.

gas injection compressor; reciprocating compressor; water hammer damage; VOF model; fatigue life evaluation

0 引 言

隨著西北油田的不斷開發(fā)，該區(qū)域平均井口壓力不斷下降，為了提升西北油氣田的采收率，需要利用增壓設備回注天然氣。但該區(qū)塊的天然氣注入方式復雜、介質壓力高且變化范圍寬，具體表現(xiàn)為部分井中天然氣含有水、硫化氫、二氧化碳等物質^［1-2］。在實際注氣中天然氣經壓縮機壓縮后壓力極高，最高可達60 MPa。在此工況下，若缸內存在液滴將會隨著往復活塞共同運動，壓縮機部件尤其是壓縮機氣閥會受到水擊而產生破壞^［3-4］，該問題亟需解決。

T.RICCARDO等^［5］采用CFD（計算流體力學）方法預測了往復式壓縮機內吸入介質帶水對壓縮機各部件的影響，采用流固耦合方法預測隨著進氣介質含水量增加，壓縮機連桿曲柄活塞等部件受應力變化。甘慶明等^［6］研究往復式壓縮機進氣閥的多物理場變化特點，運用CFD和動網格技術模擬進氣閥從膨脹到進氣的整個過程。通過模擬流場計算閥片壁面上的壓力，然后求解閥片運動方程，獲得了閥片的運動規(guī)律以及瞬時溫度場和流場。劉德基等^［7］運用往復式壓縮機理論研究了不同彈簧剛度、曲軸轉速和升程時的進氣閥運動規(guī)律，通過閥片位移曲線分析了彈簧剛度、曲軸轉速和升程對滯后關閉與顫振的影響。馬晶晶等^［8］通過圓弧與直線的曲線擬合逼近閥片變形曲線，進而獲得復合型限制器型線；分別對新設計的圓弧和直線型限制器和傳統(tǒng)直線型限制器及圓弧型限制器的閥片動應力進行模擬預測，得到其使用壽命。慕光宇等^［9］通過不同模型分析舌簧排氣閥運動規(guī)律，得到單質點模型相比懸臂梁模型能更準確地反映舌簧排氣閥的運動規(guī)律這一結論。WANG S.L.等^［10-11］ 在往復式壓縮機數(shù)值模擬方面開展了有意義的研究，結合擠壓動態(tài)網格和流體結構相互作用進行數(shù)值模擬計算，模擬了壓縮機的氣門動力學、氣缸蓋散熱表現(xiàn)出了內部和外部熱流行為。結果表明，排放閥的最大沖擊速度是吸入閥的4.8倍，意味著排放閥更容易疲勞損壞，氣缸蓋的預測外表面溫度與試驗測量值偏差小于6.9%，從而驗證了所提出的方法。YUAN W.等^［12］采用流固耦合方法研究了壓縮機內流體對往復式壓縮機排氣管路的影響。黃日寧等^［13］采用應力疲勞曲線來預估壓縮機氣閥壽命，針對某往復式壓縮機排氣閥，探究不同載荷對氣閥應力分布的影響。WU W.F.等^［14］利用ADINA建立了經試驗驗證的三維流體-結構相互作用（FSI）模型，以研究壓縮機氣閥的振蕩運動。馬元等^［15］采用試驗方法研究了跨臨界CO₂活塞壓縮機閥片運動特性。鄭詔星等^［16］研究了往復壓縮機網狀閥閥片運動規(guī)律及應力。

如上所述，之前的研究人員對往復式壓縮機開展了很有價值的研究且取得重要進展。但是，有關水擊對壓縮機氣閥服役壽命影響的研究卻少有報道。因此，筆者重點研究了濕氣注入情況下注氣用壓縮機不可避免的水擊現(xiàn)象。結合CFD計算、動力學計算以及疲勞壽命預測方法，研究了氣閥壽命與含水量的關系，評估了不同進氣含水量時壓縮機氣閥服役壽命，探究了允許含水量的上限。研究結果可為多級往復式壓縮機的應用提供技術支撐。

1 數(shù)值模型

1.1 研究對象

壓縮機工作過程中，氣缸內部壓力、溫度不斷變化影響著閥片運動，因此，整個工作過程的模擬較為復雜。將壓縮機整體模型分為流體域和結構域，采用ANSYS平臺中的Fluent和 Transient Structural模塊進行計算。選取壓縮機氣缸內流場、氣閥流道和該氣閥的固體區(qū)域進行耦合計算。實際的壓縮機流道部件多且較為復雜，所以在建立壓縮機流體域模型時，需要對其進行必要的簡化。將氣缸容積和曲柄轉角、活塞運動之間的關系采用動網格方法表達，其在上下止點之間運動產生網格，運動公式為：

X=r1－cosnπ30t+r2λ1－cosnπ15t （1）

式中：X為活塞位移，mm；r為曲柄半徑，mm；n為轉速，r/min；t為運動時間，s；λ為曲柄半徑與連桿長之比。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)建立計算域，如圖1所示。其中，圖1右側所示氣閥流道連接著壓縮機氣缸上表面，活塞上表面做往復運動，造成氣閥流體域入口處溫度和壓力的變化。流場計算采用非定常計算；經過時間步無關性驗證后，時間步選取為4.167×10^-5 s（即曲柄轉角每旋轉0.25°所需的時間）；用于計算通量的方法為一階迎風格式；采用VOF模型處理壓縮機工質天然氣含水的多相流情況；湍流模型采用k-ε模型，求解方法為PISO。壓縮機氣缸及氣閥流體域有限元網格模型如圖2所示。

壓縮機的氣閥運動隨時間變化，在仿真中采用瞬態(tài)動力學分析。根據(jù)經典力學理論可知，瞬態(tài)動力學問題遵循的平衡方程如下：

Mx″+Cx′+Kx=Ft（2）

式中：M是質量矩陣，kg；C是阻尼矩陣，kg/s；K是剛度矩陣，kg/s²；F t是力矢量，N；x是位移矢量，m；x′是速度矢量，m/s；x″是加速度矢量，m/s²。

氣閥固體域中，閥片與閥座、升程限制器等零件之間設置碰撞接觸，閥片與閥座之間設置摩擦接觸，閥座和升程限制器外部臺階面處設置固定約束。氣閥內的彈簧通過彈簧單元設置在閥片和升程限制器間的對應位置，氣閥閥片有限元網格如圖3所示，閥片參數(shù)如表2所示。本研究中，壓縮機氣閥閥片材料為30CrMnSiA合金鋼，該材料的屈服強度為835 MPa，抗拉強度為1 080 MPa。

1.2 數(shù)值計算方法

往復式壓縮機內介質為氣液混合物，在模擬中需要采用數(shù)值模型表達工質的氣液兩相狀態(tài)^［17-18］，采用VOF模型處理壓縮機天然氣含水的多相流情況，模擬壓縮機內部介質流動以捕捉水擊點。VOF 方法基于歐拉法描述輸運方程，假設多種流體（或相）互不相溶，引入相體積分數(shù)來實現(xiàn)對每一個計算單元相界面的追蹤。

在 VOF 方法中，相分數(shù)α_g和 α₁分別表示氣相與液相在網格單元中的體積分數(shù)。建立并求解相分數(shù)輸運方程獲得氣液兩相體積分數(shù)，可以實現(xiàn)對氣液相界面的捕捉。當系統(tǒng)中只存在氣液兩相時，僅考慮其中一相的相體積分數(shù)方程即可，另一相體積分數(shù)通過關系式α_g+α₁=1求得。以液相的相體積分數(shù)輸運方程為例，其計算式為：

式中：U為速度矢量，m/s。

壓縮機內氣閥和活塞都在運動，CFD模擬中耦合了氣閥和活塞往復運動的壓縮機復雜內流場計算^［19］，由于氣閥水平放置，閥片重力的影響可以忽略。假設閥片在每個時間步中均以恒定速度運動，則2個相鄰時間步間的速度關系可表示為：

v_n=v_n－1+d²Ldt²dt=v_n－1+F_g－F_S－F_cmdt（4）

式中：v_n、v_n-1 為相鄰2個時間步長內的閥片速度，m/s；dt 為時間步長，s；F_g 為氣缸側作用在氣閥上的氣體力，N；F_S 為彈簧預緊力，N；F_c為閥腔側作用在氣閥上的氣體力，N。

基于擠壓式動網格技術^{［11，19］}，結合氣閥和活塞往復運動的控制方程，實現(xiàn)往復壓縮機流體域中運動壁面的位置變化和流體域網格的更新，并采用瞬態(tài)計算方法計算。

流體域計算時用到的三維可壓縮流體控制方程主要包括連續(xù)性方程、動量方程及能量方程。

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

式中：c為流體比熱容，J/（kg·K）；k為流體導熱系數(shù)，W/（m·K）；p為流場中的壓力，Pa；S_u、S_v、S_w分別為動量方程項在x、y、z 方向的源項，Pa·m；T為流場溫度，K；u、v、w為x、y、z方向的速度分量，m/s；S_T為能量方程的熱能源項，kg·K/（m³·s）;μ為流體動力黏度，Pa·s；ρ為流體密度，kg/m³。

1.3 方法實施流程

往復式壓縮機受水擊影響最嚴重的區(qū)域為吸、排氣閥的閥片。這是因為吸、排氣閥片的彈性與強度按照氣體流動設計，故需計算含水注入情況，即氣閥開啟到關閉時段內的受力情況。壓縮機氣閥壽命評估流程如圖4所示。首先，計算考慮氣閥和活塞往復運動的往復壓縮機復雜內流場得到收斂結果；其次，將內流場載荷作用到氣閥模型上得到收斂結果，將氣閥的動態(tài)應力導入到疲勞壽命分析模塊，進行易損件疲勞壽命的預測，最終得到各級壓縮機氣閥服役壽命。

2 結果與討論

2.1 壓縮機水擊分析

在天然氣開采過程中，未經處理常含有水和其

他成分的天然氣被稱為濕天然氣。濕天然氣注入時，由于含液態(tài)水，其密度是天然氣的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍^［20-21］，所以流動時水產生的動量比氣體大得多、產生的沖擊也大得多，故需要對該情況下氣閥處流場進行分析。

相比于吸氣閥開啟瞬間，排氣閥閥片開啟瞬間缸內壓力更大，故相較于進氣閥，排氣閥受到沖擊更加嚴重，故這里主要研究對象為壓縮機排氣閥。數(shù)值模擬中考慮到夾雜較多液滴的天然氣在氣缸內的流動，兩相流在氣閥閥片上產生的沖擊不僅強度大而且頻率高，強大的沖擊力會使氣閥閥片很快斷裂。

數(shù)值計算結果顯示，當每級活塞運動到曲柄轉角300°～380°之間時（即氣閥排氣階段），排氣閥受到的氣體力和水擊壓力最大。

不同進氣含水量第一級壓縮機排氣閥閥片處的壓力云圖如圖5所示。上半部分圖片為壓力云圖，下半部分圖片為液滴分布圖。圈中標記壓力較高點（即水擊點）隨著含水量不斷增加，壓縮機受到水擊的頻率越來越高。濕氣注入含水體積分數(shù)越大，產生的沖擊壓力越大，各級均有不同程度的水擊發(fā)生，需對氣閥閥片進行強度計算。

2.2 各級進、排氣氣閥閥片動態(tài)應力分析

將上述計算結果導入到固體域進行動力學計算，計算氣閥所受的動態(tài)應力。

這里展示含水體積分數(shù)為1%時壓縮機排氣閥閥片所受的動態(tài)應力。各級壓縮機氣閥在曲柄轉角約為300°時打開，截取氣閥開啟到閉合對應曲柄轉角范圍內所受到的動態(tài)應力，得到各級氣閥應力云圖，如圖6所示。

含水體積分數(shù)為1%時氣閥所受到的動態(tài)應力隨曲柄轉角變化見圖7。由圖7可以看出，當排氣閥打開時，排氣閥閥片受到的動態(tài)應力逐級增加，第四級由于受到液體力最大，故閥片運動速度最快，閥片與行程限制器接觸產生了更大的應力。壓縮機第一級到第四級氣閥閥片在工作周期內動態(tài)應力最大值分別為185.81、202.37、233.48、264.41 MPa，壓縮機的轉速較高，故容易產生高周疲勞損壞。

2.3 各級進、排氣氣閥閥片服役壽命研究

在壓縮機運行過程中，氣閥閥片啟閉時，其在彈簧力、氣體力等共同作用下，與閥座、行程限制器發(fā)生碰撞，易產生疲勞失效。壓縮機氣閥閥片作為易損件，其壽命直接影響著壓縮機的使用。故預測氣閥閥片的服役壽命對其安全運行有重要指導意義。

采用基于應力的疲勞壽命計算方法，計算中需要根據(jù)零件上的平均應力對其S-N曲線上不同循環(huán)次數(shù)下的疲勞極限進行修正。使用Soderberg方程對其平均應力進行修正，修正公式為：

σ_a=σ_－11－σ_mσ_s（10）

式中：σ_a為應力幅值，σ_－1為對稱循環(huán)下的應力幅值，σ_m為平均應力，σ_s為屈服強度，單位均為Pa。

將上面強度計算結果中閥片受到的動態(tài)應力的結果導入到nCode DesignLife中，設置Soderberg方程修正，評估服役壽命。將單個往復周期疲勞結果與轉速相除，得到氣閥的服役壽命。壓縮機各級氣閥閥片經疲勞計算所得到的疲勞運行時間如圖8所示。由圖8可以看出，氣閥壽命隨含水體積分數(shù)增加而縮短，特別是高壓級氣閥隨含水體積分數(shù)增加，其服役壽命縮短最為顯著。當進氣含水體積分數(shù)高于0.43%時，壓縮機第四級的疲勞壽命最先低于JBT 2231.4—2013要求的最短服役壽命（4 000 h）。故為確保壓縮機運行壽命滿足要求，該JGC-4壓縮機的注入介質含水體積分數(shù)上限為0.43%。

3 結 論

（1）采用流固耦合方法得到多級往復式壓縮機易損件受到的動態(tài)應力，并結合nCode軟件壽命，評估了易損件氣閥閥片的服役壽命。

（2）與干氣注入相比，在注入濕氣壓縮過程中，介質中的水隨著氣缸壓力上升而析出。隨著進氣含水量增加，氣閥閥片受到水擊所產生的應力增大。

（3）對JGC-4型壓縮機的研究結果表明：隨著進氣含水量增加，氣閥服役壽命不斷縮短，而且此變化趨勢對高壓級尤為顯著，其第四級的進氣含水體積分數(shù)上限預測值為0.43%。

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第一作者簡介：李鵬，工程師，生于1985年，2008年畢業(yè)于西南石油大學，現(xiàn)從事油氣儲運技術研究及應用工作。地址：（830011）新疆烏魯木齊。電話：（0991）3161025。email：lipeng.xbsj@sinopec.com。

通信作者：孫金菊，教授。email：jjsun@mail.xjtu. edu.cn。