排液閥開度對分離器分離效率影響分析

趙學儉

（中國石化勝利油田分公司油氣集輸總廠，山東 東營 257100）

1 引言

往復式壓縮機是油田生產中提高壓力和輸送介質的動力源，應用十分廣泛。油氣集輸總廠東營廠壓氣站承擔著勝利油田石油伴生氣凈化處理的主要任務，其淺冷工藝系統的主要設備DPC2804機組，為低速、整體燃氣驅動往復式天然氣壓縮機組，該壓縮機組主要由4個動力缸、3個壓縮缸、傳動部件、密封組件、驅動部件，以及潤滑系統、冷卻系統和管路系統等組成。

在壓縮機組的運行過程中，需設置級間分離器將凝析液及時排放。凝析液主要來源有2個途徑：一是在油氣開采過程中，由井底攜帶的液體；二是在伴生氣輸送過程中，由于輸送管道內壓力、溫度等狀態參數發生變化，使得介質發生相變，造成氣體向液體的轉化，產生液體。排液閥作為級間分離器重要組成部件，影響著其分離效率。若級間分離器分離效率較低，凝析液則會進入后續管線，影響整個工藝過程；若分離速度過快，則可能發生天然氣隨凝析液排出的現象，造成生產安全隱患。因此研究排液閥開度對分離器分離效率的影響非常有必要。

2 分離器排液閥流場數值模擬

2．1 分離器排液閥流域模型

分離器排液系統流場數值模擬主要為模擬隨著分離器液位的高低，自動排液閥開啟與關閉進行液位控制過程中分離器內流場分布，分離器排液系統流域模型如圖1所示。該流域模型主要由分離器本體及排液閥組成，其中排液閥內設有閥片，通過移動閥片實現排液閥開度的變化。

圖1 分離器排液閥流域模型

2．2 數值計算方法與邊界條件

入口邊界條件設置為壓力入口，出口邊界條件設置為壓力出口，考慮重力場的影響。湍流定義方法選擇湍流強度百分比和水利直徑。求解器選擇基于壓力求解器，3D雙精度，穩態流動，速度為絕對速度。采用k-?二方程湍流模型；近壁面采用標準壁面函數；壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，壓力離散格式采用Body Force Weighted格式，其它采用二階迎風格Second Order Upwind格式，松弛因子保持默認設置，計算殘差為10-6，初始化并求解至收斂。

3 模擬結果與分析

采用計算流體力學軟件Fluent對分離器排液系統流場進行模擬。氣動排液閥內閥芯與閥座之間的通流面積決定著整個排液系統的排液速度，因此對排液閥在4種不同開度工況下進行數值模擬，研究其流場分布。進口壓力為0.204MPa、出口壓力為0.18MPa、氣動排液閥出口壓力為0.1MPa。開度分別為1、0.75、0.5、0.25。

圖2、3、4分別給出了不同開度下氣動排液閥局部壓力分布云圖、速度分布云圖及流線圖。由圖2可知，在相同的進出口壓力下，閥片內側中間部分壓力最高，并逐漸向四周減少，并在彎頭的內側形成了低壓區；隨著排液閥開度的減小，閥片外側的壓力逐漸減小，閥片兩側的壓差逐漸增大，阻礙了排液過程的進行。由圖3可知，隨著排液閥開度的減小，排液閥內的速度逐漸降低且閥片外側的低速區域逐漸增大；彎頭后部分的外側速度較大，內側存在旋渦。由圖4可知，不同開度下排液閥內的流線分布大致相同，但隨著開度的減小，在閥片的外側流線逐漸紊亂復雜，這增大了排液閥的局部阻力。

圖2 不同開度下排液閥壓力云圖

圖3 不同開度下的放泄閥速度云圖

圖4 不同開度下排液閥流線圖

表1給出了不同開度下排液閥出口流量變化情況，隨著排液閥開度的減小，排液閥出口流量非線性降低且開度越小降低越快；開度為0.25時，在進口壓力的作用下流量仍為14.41kg/s，這表明若有固體雜質阻礙排液閥關閉時，即使此時的開度較小，但在較高的進口壓力作用下液體仍會大量排出，導致積液排空，產生天然氣泄漏現象。

表1 不同開度下排液閥出口流量

4 結語

本文基于CFD方法對分離器排液閥內流場分布進行了數值模擬，研究了排液閥開度對分離器分離效率的影響。給出了不同開度下排液閥內壓力分布、速度云圖和流線圖以及不同開度下排液閥出口流量變化情況。結果表明：一是閥片中間壓力最高，在彎頭內側形成低壓區；隨著開度的減小，排液閥兩側壓差逐漸增大，阻礙了排液過程的進行。二是隨著排液閥開度的減小，排液閥內的速度逐漸降低且閥片外側的低速區域逐漸增大，并且流線逐漸紊亂形成局部的旋渦。三是出口流量隨著開度的減小非線性降低，但在高壓的作用下，即使較小的開度也會有較高的流量。