往復(fù)式油氣混輸泵出口單向錐閥角度分析

張生昌，王炤東，鄧鴻英，馬藝，楊琳，張華軍

（1.浙江工業(yè)大學(xué)工業(yè)泵研究所，杭州 310014；2.杭州市特種設(shè)備檢測院，杭州 310003）①

油田在集輸系統(tǒng)中逐步采用油氣混輸工藝，促進(jìn)了我國多相流設(shè)備的研究，例如多相泵、多相節(jié)流閥等［1－2］。往復(fù)式油氣混輸泵是一種新型容積式多相泵，而出口單向錐閥是其最重要的過流部件，目前對其輸送高含氣量氣液混合介質(zhì)時的流動特性研究較少。本文利用CFD 軟件對往復(fù)式油氣混輸泵單向錐閥流場進(jìn)行數(shù)值仿真，分析在不同氣液比下閥芯錐角對流動特性的影響，總結(jié)相關(guān)的參數(shù)變化規(guī)律，對該類泵閥的設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化均具有重要理論意義和工程參考價值。

1 結(jié)構(gòu)與建模

1.1 單向錐閥結(jié)構(gòu)

往復(fù)式油氣混輸泵的單向錐閥主要由進(jìn)口閥板、閥體、排出閥芯、等組成，結(jié)構(gòu)如圖1，箭頭所指為流體流動方向。主要結(jié)構(gòu)尺寸是：閥座孔當(dāng)量直徑D＝40mm，出口流道B＝8mm，閥芯錐角為（一般常用設(shè)計范圍90°～120°），閥口開度為h（最大允許開啟高度5mm）。

圖1 立式單向錐閥結(jié)構(gòu)

1.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

由于單向錐閥閥腔結(jié)構(gòu)對稱，內(nèi)部流道是三維軸對稱，因此僅取流動區(qū)域的1／2作為研究對象。利用三維設(shè)計軟件對單向錐閥建模，導(dǎo)入前處理軟件Gambit進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分。排出閥口存在節(jié)流作用，壓力梯度和速度變化都較大，因此對閥口區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，劃分后的閥內(nèi)三維流場如圖2。將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行CFD 解析。

圖2 單向錐閥流道三維網(wǎng)格劃分

1.3 解析條件

為了分析混輸工況下閥芯錐角對單向錐閥內(nèi)部流場的影響，建立閥芯開度處于h＝3 mm，閥芯錐角從90°以5°為梯度變化到120°下的7組模型，然后在CFD 解析過程對氣液比分別為0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0的情況進(jìn)行模擬仿真研究。文中對單向錐閥進(jìn)行解析計算時，假設(shè)閥內(nèi)流動為定常流動，忽略流體重力與閥內(nèi)部流體傳熱影響，且僅有油液與天然氣兩相流動；湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，混合（Mixture）模型下油為基本相，天然氣為第2相，離散方程的數(shù)值求解采用SIMPLE 算法［3－4］。流動介質(zhì)參數(shù)如表1，邊界條件設(shè)定如圖2所示。

表1 流動介質(zhì)參數(shù)（20℃）

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 流量系數(shù)

流量系數(shù)表征了閥門的最大流通能力，在實(shí)際使用情況下，由于閥隙處壓力變化梯度大，通過檢測閥的進(jìn)、出口處的壓力來計算流量系數(shù)。計算式為［4－6］：

式中：Cd為閥口流量系數(shù)；Q為體積流量；Δp為閥進(jìn)出口壓差；Ax為閥隙過流面積。

式中：d為閥芯當(dāng)量直徑；ρ為油氣混合物平均密度。

多相泵中氣液混合物的平均密度為［7］：

式中：ρl為油液密度；ρg為天然氣密度；Ql為油液體積流量；Qg為天然氣體積流量；β為介質(zhì)氣液比。

通過對閥芯錐角α從90°變化到120°對應(yīng)7組模型進(jìn)行模擬解析，得到不同介質(zhì)氣液比下流量系數(shù)的變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同閥芯錐角下流量系數(shù)比較

由圖3可以看出：相同閥芯錐角下，介質(zhì)氣液比的變化引起流量系數(shù)的變化較小，波動范圍小于5%，工程上可以忽略；在相同的介質(zhì)氣液比下，閥芯錐角對流量系數(shù)有較大影響，流量系數(shù)整體隨著閥芯錐角增大而減小，這主要是由于隨著閥芯錐角增加，壓力損失會不斷增加，從而造成進(jìn)出口壓差增大。對泵閥的設(shè)計而言，流量系數(shù)越大越好，因此閥芯錐角取90°較為合適。

2.2 穩(wěn)態(tài)液動力

當(dāng)閥口開度固定時，介質(zhì)動量變化作用在閥芯上的力稱為穩(wěn)態(tài)液動力［8］。液動力的大小不僅影響泵閥控制力大小及閥的穩(wěn)定性，也是設(shè)計排出閥芯上彈簧等部件時所需考慮的重要因素。作用在閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動力計算公式為：

式中：v1為節(jié)流口處的流速；v2為閥進(jìn)口處的流速。

閥內(nèi)流量計算公式為：

整理得穩(wěn)態(tài)液動力：

模擬得出閥進(jìn)、出口實(shí)際壓差與節(jié)流口流速，并代入相應(yīng)流量系數(shù)，用以上公式可求得穩(wěn)態(tài)液動力Fw。在閥開口度h＝3mm的情況下，通過對不同閥芯錐角模型，不同介質(zhì)氣液比條件的解析，得到不同閥芯錐角下閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動力，如圖4所示。

圖4 不同閥芯錐角下穩(wěn)態(tài)液動力比較

由圖4可以看出：相同介質(zhì)氣液比時，閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動力隨閥芯錐角的增大有減小的趨勢，但變化趨于平緩，這歸因于閥芯錐角的增大對閥隙流速有減小的作用；當(dāng)閥芯錐角一定時，介質(zhì)氣液比越大穩(wěn)態(tài)液動力在數(shù)值上則越小，且下降趨勢明顯，這主要是因?yàn)榻橘|(zhì)氣液比對混合物密度的影響遠(yuǎn)大于對其他參數(shù)的影響。可見，混輸工況下介質(zhì)中液體含量是液動力大小變化的關(guān)鍵，適當(dāng)增大閥芯錐角有助于在一定程度上減小穩(wěn)態(tài)液動力。

2.3 閥芯錐角對介質(zhì)相態(tài)分布影響

閥芯出口附近多相流動情況復(fù)雜，閥芯錐角對介質(zhì)排出時流向和閥隙流速產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而影響閥出口附近氣液分布和運(yùn)動趨勢。因此在介質(zhì)氣液比β＝0.2的油氣混輸工況下，模擬閥開口度一定時不同閥芯錐角下的氣液分布趨勢。圖5為閥開口度h＝3mm 時不同閥芯錐角對應(yīng)天然氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖（由于篇幅有限，只給出90°、105°、120°錐角下相態(tài)分布云圖）。

圖5 不同閥芯錐角下氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

由圖5知：單向錐閥排出油氣混合介質(zhì)時，氣相主要分布在閥芯壁面附近，當(dāng)閥芯錐角較小時，介質(zhì)豎直方向速度分量較大，由于氣相介質(zhì)閥隙流速略快于液相且?guī)缀醪皇苤亓τ绊懀虼私^大多數(shù)天然氣緊貼錐角向上往空氣室運(yùn)動，少量隨液相在側(cè)面出口排出；隨著閥芯錐角不斷增大，介質(zhì)水平方向速度分量逐漸變大，天然氣則直接向出口方向流動，與油液一同排出。由此可見，閥芯錐角對排出介質(zhì)有明顯的導(dǎo)向作用，在較小的錐角下，閥芯可以較好地使大部分天然氣向空氣室流動，避免其再次與油液的混合，便于天然氣的初步分離和回收。

3 結(jié)論

1）對于往復(fù)式油氣混輸泵用出口單向錐閥，在不同氣液比下，閥芯錐角的變化對閥的流量系數(shù)、穩(wěn)態(tài)液動力與出口附近相態(tài)分布會引起一些規(guī)律性的變化，本文的分析結(jié)果對該類泵閥設(shè)計和氣相介質(zhì)的初步回收有一定參考價值。

2）在閥的基本參數(shù)和工況不變的情況下，綜合考慮多方面流動特性的影響，閥芯錐角取90°時效果最佳。

［1］劉定智.多相混輸技術(shù)的研究及其應(yīng)用［D］.成都：西南石油大學(xué)，2003.

［2］凌國平.國內(nèi)外油氣混輸泵技術(shù)的研究和發(fā)展［J］.華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2000，14（5）：83－87.

［3］于勇，張俊明，姜連田.FLUENT 入門與進(jìn)階教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：228－233.

［4］楊國安，黃聰，于麗.基于FLUENT的鉆井泵閥隙流場仿真計算［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（3）：41－44.

［5］張生昌，張玉林，方志明.新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵出口球閥運(yùn)動規(guī)律分析［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（10）：20－23.

［6］李輝，柯堅，劉曉紅.基于CFD的液壓錐閥結(jié)構(gòu)特性分析［J］.流體機(jī)械，2009，37（9）：33－36.

［7］車得福，李會雄.多相流及其應(yīng)用［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

［8］鄭淑娟，權(quán)龍.基于CFD的液壓錐閥閥芯啟閉過程的液動力分析［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007，20（2）：81－82.