氣井中旋流式引射器性能影響因素研究

趙佳樂(lè)，任連城，金 鑫，邱正陽(yáng)，謝 帥 ，魏長(zhǎng)吉，曾繁榮，蔡少輝

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331； 2.中國(guó)石油化工股份有限公司 臨汾煤層氣分公司，山西 臨汾 041000)

引射器作為一種流體負(fù)壓抽吸裝置，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，以及低能耗等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。在天然氣開(kāi)采過(guò)程中，各氣井之間存在明顯的壓力不均，集輸管匯在高壓氣井的作用下，其壓力值高于串聯(lián)低壓氣井的壓力，抑制了低壓井產(chǎn)氣。為解決上述問(wèn)題，本文擬將引射器的抽吸原理應(yīng)用于低壓天然氣井的輔助采氣，并提出了一種旋流式天然氣引產(chǎn)工藝，利用高壓井天然氣對(duì)低壓井進(jìn)行引產(chǎn)作業(yè)。該裝置采用以氣引氣的方式，在增加產(chǎn)氣量的同時(shí)降低了開(kāi)采成本，具有非常高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為了提高引射器的引射性能，廖達(dá)雄等人采用試驗(yàn)的方式探究了常規(guī)圓錐噴嘴和增強(qiáng)混合噴嘴對(duì)引射性能的影響規(guī)律[1]。王海渠等人采用試驗(yàn)的方法探究了不同面積比下有旋引射器和無(wú)旋引射器的工作性能差異[2-3]。王紅霞采用數(shù)值模擬的方法分析了工況參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)引射器引射性能的影響規(guī)律[4]。陳偉雄等采用試驗(yàn)的方式探究了喉嘴距對(duì)噴射器性能影響規(guī)律[5]。熊至宜等采用數(shù)值模擬的方法，研究了低壓氣井排水采氣噴射器工作性能[6]；劉雙全等對(duì)低壓天然氣井高效開(kāi)采噴射引流技術(shù)進(jìn)行了深入的探究[7]。

本文將通過(guò)流場(chǎng)分析軟件對(duì)旋流式引射器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬和分析。由于影響引射器性能的因素有很多，包括工況參數(shù)的影響，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。本文將重點(diǎn)討論旋流式引射器中螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)引射性能的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型建立

圖1為有旋引射器的整體結(jié)構(gòu)，主要由高壓入射直管、引射管、螺旋葉片、引射腔、噴嘴、喉管、擴(kuò)散管組成。其工作原理為：高壓天然氣通過(guò)螺旋葉片及噴嘴形成高速柱狀螺旋流，使得引射腔內(nèi)的壓力降低，使被引氣體被卷吸入引射腔內(nèi)，這兩部分氣體發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)量及能量的交換。在喉管中充分混合后經(jīng)擴(kuò)散管排出。其結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖1 引射器結(jié)構(gòu)

表1 引射器流道結(jié)構(gòu)尺寸 mm

1.2 數(shù)值模型建立

采用專(zhuān)用軟件對(duì)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目增長(zhǎng)至49 000之后，進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)目，出口速度值趨于平緩。因此，后續(xù)數(shù)值模擬的網(wǎng)格數(shù)目設(shè)置為49 000，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

圖3 引射器網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬計(jì)算中，采用流場(chǎng)模擬軟件作為求解器，選取壓力與速度耦合的方式進(jìn)行求解，質(zhì)量、動(dòng)量和能量控制方程的離散采用軟件默認(rèn)格式，計(jì)算收斂條件為殘差值小于1×10-6。工作流體和引射流體都設(shè)置為甲烷理想氣體。邊界條件：工作流體和引射流體均設(shè)置為壓力進(jìn)口，噴射器出口設(shè)置壓力出口，壁面選擇無(wú)滑移絕熱壁面。

1.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性，利用上述模擬方法及文獻(xiàn)[2]中的工況參數(shù)對(duì)文獻(xiàn)[2]的引射器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。圖4為模擬數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[2]試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果。從圖4中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)相同，且數(shù)據(jù)之間差異較小。說(shuō)明本次建立的數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確反映引射器的內(nèi)部流場(chǎng)分布，其模擬結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

圖4 數(shù)值模型驗(yàn)證結(jié)果

2 有旋引射器內(nèi)部流場(chǎng)特性分析

將有旋引射器的螺旋葉片布置在噴嘴入射前的直線(xiàn)軸段，數(shù)量為3，設(shè)置工作壓力201.3 kPa，引射壓力101.3 kPa，出口背壓130.0 kPa，計(jì)算得出有旋引射器的內(nèi)部流場(chǎng)分布，如圖5所示。從圖5c中可以看出，有旋引射器在工作過(guò)程中，其工作區(qū)域可以劃分為4個(gè)：

1) 起始區(qū)域。為噴嘴所在軸段，該軸段包含了螺旋葉片。引射器工作時(shí)，高壓流體流經(jīng)葉片，螺旋加速形成一定強(qiáng)度的螺旋流后進(jìn)入噴嘴收縮段，在噴嘴節(jié)流降壓作用下使得出口速度大幅提高。在此區(qū)域內(nèi)，流體的壓力能先后轉(zhuǎn)化成為了周向的動(dòng)能(螺旋流)以及軸向的動(dòng)能。

2) 引射腔所在軸段。主要為噴嘴與喉管之間的間隙。經(jīng)螺旋葉片和噴嘴組合加速后的螺旋流從噴嘴高速流出，其通流面積瞬間擴(kuò)大，壓力進(jìn)一步衰減，速度再次提高，此時(shí)引射腔內(nèi)的壓力值小于引射口壓力，故引射口的流體將會(huì)被吸入引射腔內(nèi)，以高速螺旋流流出噴口后呈發(fā)散狀態(tài)，極大地增加了工作流體的卷吸能力。

3) 混合腔所在軸段。卷吸進(jìn)來(lái)的被吸流體與工作流體相融合，流體的動(dòng)能將再次轉(zhuǎn)化成壓力能。從圖5a和圖5b可以看出，引射器喉管段沿流動(dòng)方向的速度在衰減，壓力在升高。

4) 擴(kuò)散管所在軸段。該軸段主要起著連接喉管與輸出管匯的作用，其次還能實(shí)現(xiàn)動(dòng)能到壓力能的轉(zhuǎn)化，使引射器出口壓力始終高于管匯背壓。

a 有旋引射器速度分布云圖

b 有旋引射器壓力分布云圖

c 有旋引射器軸線(xiàn)上壓力及速度分布規(guī)律

3 螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)引射性能的影響

為了量化有旋引射器的引射性能，引用了引射系數(shù)這個(gè)概念，表征單位時(shí)間內(nèi)，單位質(zhì)量的工作流體能夠引射的被引流體的量[8]。本文以引射系數(shù)作為引射器性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，將對(duì)引射器中螺旋葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)引射性能影響展開(kāi)研究。

3.1 螺旋葉片數(shù)量對(duì)引射性能的影響

保持有旋引射器邊界條件不變，借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，初步將螺旋葉片截面的形狀定為4 mm×10 mm的矩形；螺旋葉片軸向長(zhǎng)度為100 mm；螺旋葉片導(dǎo)程為300 mm[3，9-10]。在此基礎(chǔ)上探究并得出螺旋葉片數(shù)量對(duì)引射性能的影響曲線(xiàn)，如圖6～7所示。隨著螺旋葉片數(shù)量的增加，引射系數(shù)呈現(xiàn)出先增后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，從圖6的速度變化曲線(xiàn)和圖8的湍動(dòng)能云圖及速度變化云圖可以看出，螺旋葉片數(shù)量的增加具有一定的旋流加速效果，而流體流出噴口的速度上升必然導(dǎo)致引射腔內(nèi)的壓力降低，進(jìn)而使得引射器卷吸能力增強(qiáng)、引射系數(shù)提高。繼續(xù)增加螺旋葉片數(shù)量，從圖6及圖8b中的速度云圖可以看出速度不再有明顯增加，引射系數(shù)也趨于穩(wěn)定。從圖8a的湍動(dòng)能云圖可以看出，螺旋葉片數(shù)量為3時(shí)，湍動(dòng)能最大，混合效果最好，引射系數(shù)出現(xiàn)峰值。超過(guò)該值后，湍動(dòng)能開(kāi)始衰減，混合效果減弱，進(jìn)而造成引射系數(shù)降低。

圖6 螺旋葉片數(shù)量對(duì)引射性能及最大速度影響曲線(xiàn)

圖7 螺旋葉片數(shù)量對(duì)軸線(xiàn)上速度影響曲線(xiàn)

從圖7的軸線(xiàn)速度變化曲線(xiàn)可以看出，在引射器的混合段的速度值以3-4-2(螺旋葉片數(shù)量)趨勢(shì)遞減，可見(jiàn)在喉管至出口段，螺旋葉片數(shù)量為3時(shí)，速度最大，壓力最低，引射效果最好。

a 湍動(dòng)能云圖

b 速度云圖

3.2 螺旋葉片導(dǎo)程對(duì)引射性能的影響

在上述研究的基礎(chǔ)上，采用3葉片引射器作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，在保證引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)不變的情況下，只改變螺旋葉片導(dǎo)程值，得到螺旋葉片導(dǎo)程對(duì)引射性能的影響規(guī)律，如圖9所示。

圖9 螺旋葉片導(dǎo)程對(duì)引射性能及引射器最大速度影響曲線(xiàn)

隨著螺旋葉片導(dǎo)程值的增加，引射系數(shù)呈現(xiàn)先增后減再趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。導(dǎo)程過(guò)小時(shí)，流動(dòng)過(guò)程的能量損失大，噴嘴的引射性能不好；導(dǎo)程過(guò)大時(shí)，旋流強(qiáng)度小，引射性能也較差[8]。如圖9的速度變化曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，螺旋葉片的旋流加速作用隨著葉片導(dǎo)程的增加逐漸發(fā)育起來(lái)，從圖10的湍動(dòng)能云圖可以看出湍動(dòng)能峰值出現(xiàn)在200 mm導(dǎo)程位置，該值對(duì)應(yīng)圖9中最大速度以及引射系數(shù)曲線(xiàn)的拐點(diǎn)位置。以引射系數(shù)取得最大值為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺旋葉片導(dǎo)程值進(jìn)行優(yōu)化，確定螺旋葉片導(dǎo)程最優(yōu)值為200 mm。

圖10 不同螺旋葉片導(dǎo)程下的湍動(dòng)能云圖

3.3 螺旋葉片徑向厚度對(duì)引射性能的影響

圖11為不同螺旋葉片徑向厚度(10、15、20、25、30 mm)，在工作壓力201.3 kPa，引射壓力101.3 kPa，出口背壓130.0 kPa下有旋引射器的引射系數(shù)和最大速度的變化曲線(xiàn)。從圖11可以看出，隨著螺旋葉片徑向厚度值的增加，引射系數(shù)值呈先增后減的變化趨勢(shì)。

圖11 螺旋葉片厚度對(duì)引射系數(shù)及 引射器最大速度影響曲線(xiàn)

從圖11的速度曲線(xiàn)可以看出，隨著徑向厚度值的增加，有旋引射器的最大速度先增加后平穩(wěn)，可見(jiàn)徑向厚度值的增加導(dǎo)致的速度波動(dòng)對(duì)引射系數(shù)并未造成直接影響。通過(guò)圖12的速度云圖和湍動(dòng)能可以看出，隨著螺旋葉片徑向厚度值的增加，引射器射流核心區(qū)域長(zhǎng)度在徑向厚度值為10 mm和15 mm時(shí)沒(méi)出現(xiàn)明顯變化，當(dāng)徑向厚度值大于15 mm后，射流核心區(qū)域的長(zhǎng)度逐漸減小，并且螺旋葉片徑向厚度值越大。其旋流強(qiáng)度越強(qiáng)，由于旋流離心力的作用，射流核心區(qū)域尾部的發(fā)散現(xiàn)象逐漸變得嚴(yán)重，而射流核心區(qū)域縮短將導(dǎo)致工作流體與被吸流體的混合效果變差，進(jìn)而引起引射性能下降。

a 速度云圖 b 湍動(dòng)能云圖

3.4 變工況參數(shù)對(duì)引射性能的影響

通過(guò)前面對(duì)螺旋葉片數(shù)量、導(dǎo)程以及徑向厚度3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)有旋引射器的引射性能并沒(méi)有較大的改變。為進(jìn)一步確定有旋引射器的有效適用范圍。在上述研究的基礎(chǔ)上(螺旋葉片數(shù)量3，導(dǎo)程200 mm，徑向厚度20 mm)，改變有旋引射器的工況參數(shù)對(duì)其進(jìn)一步研究，得到圖13的變化曲線(xiàn)。由圖13可以看出，引射系數(shù)值隨高壓入口壓力值的變化呈現(xiàn)出先增后趨于平緩的趨勢(shì)。原因在于，高壓入口壓力由小逐漸增加時(shí)，從圖14的速度分布云圖可以看出，其對(duì)應(yīng)的速度值在逐漸增加，因此引射系數(shù)同樣為增長(zhǎng)趨勢(shì)，而高壓入口壓力值達(dá)到221 kPa以后，從圖14的速度變化云圖可以看出，引射核心區(qū)域已經(jīng)延伸至擴(kuò)散管處，高速流體在擴(kuò)散管處將不利于擴(kuò)散管降速增壓作用的發(fā)揮，最終導(dǎo)致擴(kuò)散管出口壓力與管匯壓力之間的壓差較小，進(jìn)而引起引射系數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)衰減，但引射系數(shù)仍然存在緩慢增加。最終在高壓入口壓力為281.3 kPa時(shí)引射系數(shù)取得最大值0.558。

圖13 高壓入口壓力變化對(duì)引射系數(shù)的影響曲線(xiàn)

圖14 不同高壓入口壓力下的速度云圖

4 結(jié)論

1) 以引射系數(shù)作為判斷旋流式引射器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)旋流式引射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析。

2) 在給定的工況參數(shù)下，3葉片的旋流式引射器引射效果最好，最大引射系數(shù)值為0.431。螺旋葉片導(dǎo)程為200 mm時(shí)，引射系數(shù)達(dá)到峰值0.433。螺旋葉片徑向厚度值為20 mm時(shí)引射系數(shù)達(dá)到最佳值0.436。

3) 在給定的工況參數(shù)下，改變有旋引射器螺旋葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)引射系數(shù)的影響并不大。改變高壓入口壓力值對(duì)有旋引射器的引射性能存在較大的影響，最終分析得出，高壓入口壓力值在221.3～281.3 kPa時(shí)，引射系數(shù)較好，其中高壓入口壓力值為281.3 kPa時(shí)，引射系數(shù)達(dá)到最大值0.558。

4) 螺旋葉片數(shù)量、導(dǎo)程以及徑向厚度值對(duì)有旋引射器的旋流強(qiáng)度存在直接影響，增加螺旋葉片數(shù)量、導(dǎo)程以及徑向厚度值具有強(qiáng)化旋流強(qiáng)度的作用。但螺旋葉片數(shù)量過(guò)多，導(dǎo)程值和徑向厚度值過(guò)大或者過(guò)小都將導(dǎo)致流動(dòng)過(guò)程的能量損失增大，進(jìn)而造成引射系數(shù)降低。