籠套式節(jié)流閥內(nèi)流場數(shù)值模擬及水合物生成

李智博，羅 璇，陳 軍，馬 強，孔祥雷

(承德石油高等專科學(xué)校 熱能工程系，河北 承德 067000)

水下節(jié)流閥是采油樹中重要的過流部件，工作中其壓力、溫度、速度的變化劇烈，易造成閥芯的損壞[1,2]。對于天然氣的節(jié)流，節(jié)流后溫度、壓力驟降，極有可能生成水合物[3-5]，這將影響正常的油氣生產(chǎn)，甚至造成嚴重的生產(chǎn)事故。因此，研究水下節(jié)流閥的流場特性，對于優(yōu)化操作工藝、確定閥門各工況下開始生成水合物的臨界開度，保證閥門工作的可靠性與安全性具有重要意義[6,7]。

國內(nèi)外的學(xué)者在閥門數(shù)值模擬以及天然氣水合物的生成方面已做了大量研究[8-12]。本文通過數(shù)值模擬到了節(jié)流閥內(nèi)流場的特征，分析了節(jié)流閥工作過程中較易出現(xiàn)損壞和堵塞的部位，同時通過分析了節(jié)流過程中水合物生成的影響因素，提出了一種基于計算條件的閥門臨界開度的確定方法。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

籠套式節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，公稱通徑為130 mm，公稱壓力為69 MPa，閥門具有等百分比流量特性，外部流量環(huán)行程(關(guān)閉到完全開啟)為110 mm。流體從水平進口段流入，流經(jīng)節(jié)流閥后由豎直出口段流出。流通面積的變化通過外部流量環(huán)的豎直位移的改變來實現(xiàn)。

閥芯結(jié)構(gòu)如圖2所示，通徑130 mm，節(jié)流通道由兩對軸線垂直的圓孔組成，大孔直徑90 mm，小孔直徑20 mm。

使用Ansys 14.0中的Geometry模塊建立閥門流道的幾何模型，閥門全開時的流道幾何模型如圖3所示。使用Ansys 14.0中的Mesh模塊進行網(wǎng)格劃分，對節(jié)流閥的水平進口段、豎直出口段的圓柱形流體域和流量環(huán)內(nèi)部的流體域，采用圖4所示的切分方式并劃分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對閥腔內(nèi)部的流體域劃分四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為保證計算的精度和效率，對計算流體域網(wǎng)格的無關(guān)性進行了驗證[13]，最終采用的網(wǎng)格尺寸為2.8 mm，網(wǎng)格數(shù)量為4 706 577。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果

使用Ansys軟件對節(jié)流閥內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，求解器設(shè)置如下：1) 流體密度變化遵循實際氣體的Redlich-Kwong方程，動力粘度初始值1.087×10-5Pa·s；2) 使用分離求解器和隱式算法；3) 湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)湍流模型；4) 近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法；5) 固壁面使用無滑移邊界條件；6) 壓力速度耦合采用SIMPLEC算法； 7) 離散格式全部采用二階迎風(fēng)格式；8) 邊界條件為質(zhì)量流量入口、壓力出口。

設(shè)定參數(shù)范圍：單井日產(chǎn)氣量2×104～105m3/d(0.154～0.773 kg/s)，進口溫度30 ℃～120 ℃，下游管線壓力10 MPa。對閥門不同開度、不同進口質(zhì)量流量、不同進口溫度時的流場進行了數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，對于同一開度，在不同的進口流量、不同的進口溫度條件下，流場特性基本相同，因此，本文取相對開度59%的流場特性作為說明，其計算條件為：質(zhì)量流量Qm=0.773 kg/s，進口溫度Tin=30 ℃，出口壓力Pout=10 MPa。

2.1 壓力場

如圖5所示，進口段壓力分布均勻，流體進入環(huán)形腔后，由于流通面積減小，流體受阻，在環(huán)形腔的上下兩側(cè)靠近流量環(huán)壁面處形成了兩個相對高壓區(qū)，流體進入節(jié)流孔后，壓力迅速降低，節(jié)流孔處存在較大的壓力梯度，在靠近節(jié)流孔壁面處存在局部低壓區(qū)，流體由節(jié)流孔流出后，相互撞擊，碰撞的中心區(qū)由于流速的減小，壓力略有增大，因此，在圖中可以看到壓力恢復(fù)區(qū)。

2.2 速度場

如圖6所示，在兩側(cè)大孔碰撞后匯聚的豎直流和經(jīng)小孔流出的水平流的相互作用下，產(chǎn)生漩渦，因此在豎直出口段的上部出現(xiàn)了類似流動分離區(qū)的區(qū)域，這將導(dǎo)致有效過流面積的縮小，使得豎直流的速度增大，形成類似射流的高速流動區(qū)。漩渦主要存在于流量環(huán)內(nèi)空腔、流體對撞的交界面、流動的死角區(qū)和高速主流的兩側(cè)，當(dāng)有固體顆粒存在時，速度快速增加的區(qū)域，即節(jié)流孔及附近壁面會產(chǎn)生較為嚴重的沖蝕磨損，這在節(jié)流閥的設(shè)計中可采取一定的優(yōu)化措施。

2.3 溫度場

如圖7所示，入口段溫度分布均勻，流體進入環(huán)形腔后溫度略有升高，進入節(jié)流孔后，溫度迅速降低，節(jié)流孔處存在較大的溫度梯度，越接近節(jié)流孔壁面的地方溫度越低，節(jié)流孔內(nèi)壁靠近流體下游的區(qū)域存在明顯低溫區(qū)。結(jié)合壓力場可知，節(jié)流孔及附近壁面存在著高壓-低溫區(qū)域，這為水合物的形成提供了有利的條件。

3 節(jié)流過程水合物生成分析

3.1 進口溫度對閥門臨界開度的影響

對質(zhì)量流量0.773 kg/s，出口壓力10 MPa，進口溫度取不同值時，閥門不同開度的流場進行數(shù)值模擬，將流場內(nèi)壓力-溫度點的分布對比水合物預(yù)測曲線[14]，以確定臨界開度。

如圖8所示，相對開度小于等于32%時，出現(xiàn)滿足水合物生成條件的溫度-壓力點，相對開度大于等于45%時，沒有水合物生成，在此區(qū)間重復(fù)取不同開度的壓力-溫度分布點對比水合物預(yù)測曲線，最終確定在本計算條件下，生成水合物的臨界開度是43%，即開度小于等于43%時開始有水合物生成。依此方法可得進口溫度-臨界開度的關(guān)系曲線如圖9所示。

3.2 質(zhì)量流量對閥門臨界開度的影響

對進口溫度Tin=30 ℃，出口壓力10 MPa，質(zhì)量流量取不同值時，閥門不同開度的流場進行數(shù)值模擬，將流場內(nèi)壓力-溫度點的分布對比水合物預(yù)測曲線，以確定臨界開度。依此方法確定的質(zhì)量流量-臨界開度的關(guān)系曲線如圖10所示。

3.3 進口溫度-質(zhì)量流量-臨界開度函數(shù)關(guān)系

節(jié)流閥進口溫度-質(zhì)量流量-臨界開度之間的關(guān)系可擬合為如下公式：

Lc=L0+aT+bQ+cT2+dQ2+eTQ

其中，T為進口溫度(℃)，Q為質(zhì)量流量(kg/s)，Lc為臨界開度(%)，L0=9.372，a=-0.386，b=54.520，c=0.004，d=23.569，e=-0.757。

4 結(jié)論

1)由數(shù)值模擬得到節(jié)流閥的流場特性，節(jié)流孔及附近壁面是較易產(chǎn)生沖蝕磨損的區(qū)域，這在節(jié)流閥的設(shè)計中可采取一定的優(yōu)化措施。

2)對于壓力場和溫度場的分析可知，節(jié)流孔及其附近壁面由于存在著高壓-低溫的區(qū)域，存在著水合物的生成風(fēng)險。

3)隨著節(jié)流閥進口天然氣溫度的升高，臨界開度減小，即可操作的安全開度范圍是較大的，隨節(jié)流閥進口天然質(zhì)量流量的增大，臨界開度增大，即可操作的安全開度范圍是減小的。

4)通過分析進口溫度-質(zhì)量流量-臨界開度之間的關(guān)系，可得到三者之間在本文計算條件下的函數(shù)關(guān)系式，這為臨界開度的確定提供了依據(jù)，對保證閥門工作的可靠性與安全性有一定的意義。