可調式天然氣噴射引流器設計與試驗研究

趙軍友，王秀會，張振國，楊 勇，鄒俊艷，劉 敬

（中國石油大學機電工程學院，山東青島266555） ＊

可調式天然氣噴射引流器設計與試驗研究

趙軍友，王秀會，張振國，楊 勇，鄒俊艷，劉 敬

（中國石油大學機電工程學院，山東青島266555）＊

為了高效開采低壓天然氣、提高噴射引流器的引射率，設計了一種節流閥結構的可調式天然氣噴射引流器。試驗結果表明：低壓氣流量與高壓氣壓力呈二次函數關系，即低壓氣流量隨著高壓氣壓力的升高而先增加后減少。采用1stOpt軟件對試驗數值進行擬合，得出上述規律的數學函數表達式，計算結果與試驗數值擬合的相關系數＞0.99。該試驗結果為可調式噴射引流器的現場使用提供了理論依據。

可調式噴射引流器；性能試驗；引射率；數值擬合；相關系數

在氣田的開發過程中，地層能量會逐漸降低，進入中后期的氣井越來越多。由于氣井的能量遞減，井口壓力降低，部分氣井的進站壓力已與集氣外輸壓力持平或者低于集氣外輸壓力，造成低壓氣井的不連續生產或不能生產。氣井只能采用壓縮設備或者采用放空處理才能正常開采［1］，既浪費了能源又增加了開采成本。

天然氣噴射技術是利用高壓天然氣來引射低壓天然氣的一種節能升壓技術，在不借助外來能源的情況下，實現低壓氣井正常穩定生產［2－6］，從而降低生產成本，延遲增壓開采時間，為低壓氣井增壓開采探索一種新途徑?，F有的噴射器參數是固定的，不適用于不同工況的氣井，應用受到了限制。針對這一情況，設計了一種針閥結構的可調式噴射引流器來解決低壓氣井的連續生產問題。

1 可調式噴射引流器的設計

1.1 噴射引流原理［7－9］

噴射引流器的工作原理是高壓氣經高速噴嘴后，在吸入室形成高速低壓區，從而將低壓氣吸引進來，在混合腔低壓氣與高壓氣充分混合，形成具有一定速度的混合氣流，在擴壓段內完成升壓后外輸。

1.2 設計原則

1） 現有的可調式噴射器都是在高壓氣噴嘴前設計1個可以移動的噴針［10－11］，用于壓力不高的噴射泵或者供熱系統；當應用在高壓、高速流動的天然氣領域時，試驗發現高壓氣超過10MPa時噴針會劇烈振動并產生很大的噪聲，效果不理想或無法工作。針對這一問題，設計了一種新型可調式噴射引流器，即在噴嘴前部設計1個針形節流閥結構。針形節流閥技術成熟、可靠，閥桿剛性強，密封性好，既達到了調節高壓氣壓力和流量的目的，又很好地解決了調節閥針由于振動而產生噪聲的問題。

2） 噴嘴是噴射器中最關鍵的部件，噴嘴出口截面積與噴嘴喉口截面積之比是噴嘴設計的關鍵。因為流過噴嘴的為高壓天然氣，為了提高氣體流速、降低出口處壓力，設計中采用拉法爾式的超音速噴嘴，氣體在收縮段為亞音速，在喉口達到音速，喉部以后氣壓繼續降低達到超音速，氣體在流出噴嘴后，流束呈近似圓柱形的自由流束。噴嘴喉部截面積根據日產氣量計算而定。

3） 混合腔和擴壓室采用整體文丘里管形狀，混合腔是兩相流體混合、吸收的重要結構，喉部直徑應該與噴嘴出口直徑匹配；擴壓室使混合流體壓力恢復，克服出口被壓，氣體順利流出，所設計的擴散角度為9°。

按照上述原則，設計了一種可調式噴射引流器，其結構如圖1所示。

圖1 可調式天然氣噴射引流器結構

2 性能試驗

2.1 試驗方法

試驗裝置如圖2所示，為了便于控制高、低壓氣的壓力，在噴射裝置的高、低壓氣入口各安裝1個調壓閥；混合后的氣體進入集輸系統，外輸壓力控制在5.2MPa；在高、低壓氣入口各安裝1臺智能漩渦流量計，對流量進行計量；在各個氣口處安裝壓力表，對氣體壓力進行測量。

通過改變噴射裝置的工作狀況，即改變進入噴射裝置的高、低壓氣的壓力，分析低壓進氣量和引射率隨高壓氣壓力、低壓氣壓力的變化規律，研究噴射裝置的性能，為可調式天然氣噴射引流器的現場使用提供理論依據。具體試驗方法如下：

1） 保持低壓氣壓力恒定（分別為5、4、3、2 MPa），使進入噴射裝置的高壓氣壓力從15MPa依次減小1MPa，直到10MPa，穩定后測量高壓氣流量和低壓氣流量。

2） 在一定的高壓氣壓力下（分別為15、12 MPa），使進入噴射裝置的低壓氣壓力從2MPa依次增加1MPa，直到5MPa，穩定后測量低壓氣流量和高壓氣流量。

圖2 噴射器試驗流程

2.2 試驗結果

按照上述試驗方法得到的試驗結果如表1～2。

表1 低壓氣恒定時試驗數據

續表1

表2 高壓氣恒定時試驗數據

2.3 試驗數值擬合

1stOpt軟件的非線性擬合功能比較強大，其最大的特點是：在絕大多數情況下，不需要提供任何初始值，僅依靠軟件自身的全局搜索能力，從任意隨機值出發即可求得最優解。在對上述試驗結果綜合分析的基礎上，用1stOpt來探求低壓氣流量與高壓氣壓力、低壓氣壓力之間以及引射率與高壓氣壓力之間的函數關系式。

2.3.1 低壓氣流量與高壓氣壓力之間的函數關系

由試驗數值可以看出：當低壓氣壓力pl不變時，低壓氣流量Ql與高壓氣壓力ph的大致關系為二次曲線關系。采用式（1）對全部數據進行數值擬合，即

式中，a、b、c為常數（下同）。

低壓氣壓力為5MPa時，將高壓氣壓力和低壓氣流量等實測數據輸入編程軟件，得到如圖3所示的擬合曲線。

得到的擬合曲線函數為

擬合的相關系數達到0.992。通過求一階導數，低壓氣流量最大值發生在高壓氣壓力ph＝12.35MPa左右。

圖3 低壓氣流量與高壓氣壓力的擬合曲線

當高壓氣壓力ph不變時，低壓氣流量Q1隨低壓氣壓力pl變化規律為直線關系，采用式（3）對全部數據進行數值擬合，即

通過對試驗數據分析得知，當低壓氣壓力＜2 MPa時，引射效果不理想，因此噴射器真正的工作范圍應該在2MPa以上，故不考慮2MPa的數據。在15MPa條件下，將低壓氣壓力和低壓氣流量等實測數據輸入編程軟件，得到如圖4所示的擬合曲線。

圖4 低壓氣流量和低壓氣壓力的擬合曲線

得到的擬合曲線函數為

擬合的相關系數達到0.997。

2.3.3 引射率與高壓氣壓力之間的函數關系

據試驗數據分析可知：當低壓氣壓力pl不變時，引射率μl與高壓氣壓力ph呈二次函數關系，采用式（5）對全部數據進行數值擬合，即

當低壓氣壓力為5MPa時，將引射率和高壓氣壓力等實測數據輸入編程軟件，得到如圖5所示的擬合曲線。

得到的擬合曲線函數為

擬合的相關系數達到0.992。

圖5 高壓氣壓力和引射率的擬合曲線

3 結論

1） 低壓氣流量與高壓氣壓力存在著二次多項式的關系，隨著高壓氣壓力的增加，低壓氣流量先增加后減小，現場應用時只需調節到合適的高壓氣壓力就能達到最好的引射效果。

2） 在高壓氣壓力一定的情況下，低壓氣流量與低壓氣壓力呈線性關系。

3） 引射率在低壓氣壓力一定的情況下，與高壓氣壓力有二次函數關系，為現場應用時調節最佳的引射率提供理論依據。

4） 通過對試驗結果的分析可知，設計的可調式天然氣噴射引流器對提高低壓天然氣的引射效率是可行的。

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Design and Test Research of the Adjustable Gas Injector

ZHAO Jun－you，WANG Xiu－hui，ZHANG Zhen－guo，YANG Yong，ZOU Jun－yan，LIU Jing
（College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

A new kind of adjustable gas injector with throttle valve structure was designed in order to improve the effectiveness of exploitation of low pressure gas and the inject ratio of the injector.Test proved that it is in quadratic function between the low pressure gas flow rate and the high gas pressure，i.e.the low－pressure gas flow rate first increase and then decrease with high gas

adjustable injector；performance test；inject ratio；numerical simulation；correlation coefficient

1001－3482（2012）07－0062－04

TE934.4

A

2012－01－22

趙軍友（1963－），男，山東東明人，副教授，碩士，主要從事石油機械方面的教學和科研工作，E－mail：zhaojy＠upc.edu.cn。pressure changing.The mathematical function formula has been gotten by numerical simulation using 1stOpt software，and that the correlation coefficient is more than 0.99between the calculated data and the tested data.The experimental result provides a theoretical basis for the injector field using.