球閥具有結構簡單、互換性強、裝拆方便、便于清洗等優點。為解決油田油氣混輸難題,將球閥與(yu)傳統外環(huan)流(liu)轉子(zi)(zi)泵(beng)(beng)結(jie)合,即(ji)在傳統外環(huan)流(liu)轉子(zi)(zi)泵(beng)(beng)出(chu)口(kou)增設了1組球(qiu)(qiu)閥(fa),使其(qi)具有內壓縮功能,能更(geng)好地適應(ying)氣液兩(liang)相工(gong)況(kuang)。目前,對于(yu)球(qiu)(qiu)閥(fa)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)基本上是針對容積式往復泵(beng)(beng)球(qiu)(qiu)閥(fa),主要(yao)建立球(qiu)(qiu)閥(fa)運動(dong)(dong)規律的(de)(de)數(shu)學模(mo)型,研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)球(qiu)(qiu)閥(fa)的(de)(de)開(kai)啟(qi)特性(xing)等內容,且工(gong)況(kuang)為純液態(tai)工(gong)況(kuang);對球(qiu)(qiu)閥(fa)閥(fa)口(kou)氣穴流(liu)場進行的(de)(de)數(shu)值模(mo)擬與(yu)試驗研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)也局限于(yu)液體介質。 目前尚未見有關轉子(zi)(zi)式油(you)氣混輸泵(beng)(beng)球(qiu)(qiu)閥(fa)運動(dong)(dong)規律的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)報道。因(yin)此,對新(xin)型轉子(zi)(zi)式油(you)氣混輸泵(beng)(beng)出(chu)口(kou)球(qiu)(qiu)閥(fa)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)就(jiu)顯得很(hen)有必(bi)要(yao)。
隨(sui)著計(ji)(ji)算機技(ji)術和計(ji)(ji)算流體力學的發展,應(ying)用CFD方(fang)法對流場進行分(fen)析已經(jing)成為泵閥(fa)領域的研究(jiu)熱點。因(yin)此,實現(xian)新型轉(zhuan)子(zi)式油氣(qi)混(hun)輸泵出口球閥(fa)三維流場的數(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni),對于球閥(fa)的設計(ji)(ji)及優化具有重要(yao)意義。
1 球閥結構及網格劃分
1.1 球閥結構
圖1為轉子式(shi)(shi)油氣混輸(shu)泵工作示(shi)意圖。新型轉子式(shi)(shi)油氣混輸(shu)泵在出口(kou)(kou)增設球(qiu)閥(fa)(fa)以后,介質要通過球(qiu)閥(fa)(fa)才能輸(shu)送到(dao)出口(kou)(kou)管線中。當球(qiu)閥(fa)(fa)關閉(bi)(bi)時(shi)(shi),閥(fa)(fa)球(qiu)與兩轉子及端(duan)板形成封(feng)閉(bi)(bi)容(rong)積(ji)V。由于轉子不(bu)斷旋轉,封(feng)閉(bi)(bi)容(rong)積(ji)V不(bu)斷減小,容(rong)積(ji)中壓力不(bu)斷升(sheng)高,直到(dao)封(feng)閉(bi)(bi)容(rong)積(ji)內的壓力達到(dao)開啟壓力時(shi)(shi),閥(fa)(fa)球(qiu)打開,介質被排出。
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圖(tu)1 轉子式油氣(qi)混輸泵(beng)工作示意圖(tu)
圖(tu)2為(wei)出口球(qiu)閥(fa)(fa)結構示意圖(tu)。球(qiu)閥(fa)(fa)由(you)閥(fa)(fa)座(zuo)和閥(fa)(fa)球(qiu)組(zu)成,閥(fa)(fa)球(qiu)開啟后,介質由(you)閥(fa)(fa)座(zuo)孔(kong)入口流入,通過(guo)閥(fa)(fa)隙進入泵的(de)排液腔(qiang)。閥(fa)(fa)座(zuo)孔(kong)直徑d=0.065m,閥(fa)(fa)座(zuo)錐(zhui)角(jiao)α=45°,錐(zhui)角(jiao)長(chang)度(du)l=0.005m,閥(fa)(fa)球(qiu)半徑R=0.045m。
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圖2 出口球閥結構示意圖
1.2 建模與網格劃分
由于出(chu)口(kou)球(qiu)閥(fa)尺寸相對整臺泵(beng)非(fei)常小,在整臺泵(beng)計(ji)算(suan)(suan)過程(cheng)中(zhong),難以得到閥(fa)隙處的(de)詳(xiang)細流(liu)動情況。因此,為(wei)了(le)更(geng)全(quan)面(mian)地了(le)解閥(fa)隙周(zhou)圍與(yu)(yu)閥(fa)內的(de)壓(ya)力和速(su)度分(fen)(fen)布,選取(qu)閥(fa)座與(yu)(yu)閥(fa)球(qiu)間隙及閥(fa)球(qiu)兩側(ce)部分(fen)(fen)作為(wei)研究對象,進(jin)行(xing)建(jian)模(mo)(mo)與(yu)(yu)分(fen)(fen)析(xi)。此外,球(qiu)閥(fa)幾何形(xing)狀簡單且為(wei)軸(zhou)對稱圖(tu)形(xing),為(wei)了(le)研究方便且減少計(ji)算(suan)(suan)量,采(cai)取(qu)三(san)維(wei)軸(zhou)對稱模(mo)(mo)型(xing),建(jian)立(li)一半計(ji)算(suan)(suan)區域(yu)。利用Pro/E軟件(jian)建(jian)立(li)開啟高度為(wei)3mm時球(qiu)閥(fa)的(de)計(ji)算(suan)(suan)區域(yu)模(mo)(mo)型(xing)。將(jiang)物理(li)模(mo)(mo)型(xing)導入Fluent前處理(li)軟件(jian)Gambit中(zhong)進(jin)行(xing)網(wang)格(ge)劃(hua)分(fen)(fen)。為(wei)了(le)劃(hua)分(fen)(fen)質量較好的(de)網(wang)格(ge),對模(mo)(mo)型(xing)進(jin)行(xing)了(le)分(fen)(fen)割并采(cai)用六面(mian)體/四面(mian)體混(hun)合單元,由于閥(fa)口(kou)的(de)壓(ya)力梯度變化較大,因此對閥(fa)口(kou)加密了(le)網(wang)格(ge),使模(mo)(mo)擬結果更(geng)準確。三(san)維(wei)模(mo)(mo)型(xing)及網(wang)格(ge)如圖(tu)3所(suo)示。同理(li)可得到開啟高度分(fen)(fen)別為(wei)5,7mm時的(de)模(mo)(mo)型(xing)和網(wang)格(ge)。
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圖(tu)3 開啟(qi)高度為3mm時的模(mo)型與網(wang)格
2 模擬計算
2.1 邊界條件
介質為原油和天然氣兩相混合物,原油的物理參數設置為ρoil=856kg/m3,動力黏(nian)度ν=0.0072Pa·s,并假設原(yuan)油(you)不可壓縮;天然(ran)氣在Fluent自(zi)帶的材(cai)料里選擇(ze)。
1) 速度入口。新型轉子式油氣混輸泵的出口閥由3個球閥組成,已知泵的流量為100m3/h,假設通過每個球閥(fa)的(de)流(liu)量相等且忽略泄漏(lou),則由(you)連續流(liu)條件可得通過每個閥(fa)座的(de)速度為(wei)
(1)
式中:υ0為入口速度,m/s,方向與閥座入口邊垂直;Q為泵的流量,m3/h;d為閥座孔直徑,m。由入口速度和特征直徑計算得到入口雷諾數大于1.2×104,流(liu)動為(wei)湍(tuan)流(liu),湍(tuan)流(liu)強度設為(wei)10%,水(shui)力(li)直徑為(wei)0.065m。
2) 壓力出口。已知出口絕(jue)對壓力為1.2MPa。
♂
2.2 求解器與算法
模(mo)擬采用(yong)隱(yin)式壓力基求解器,流動(dong)為穩態流動(dong). 求解模(mo)型選擇兩相混合模(mo)型和(he)標準(zhun)k-ε湍(tuan)流模(mo)型。壓力與速度(du)耦(ou)合采用(yong)SIMPLE算法。
3 模擬結果與分析
3.1 壓力場分析
圖4-6為不同(tong)含(han)氣率條(tiao)件下,球閥在不同(tong)開啟高(gao)度時對稱(cheng)面(mian)上的(de)壓力(li)分(fen)布(bu)云圖。
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圖4 含氣率為25%時對稱面上的靜壓分布
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圖(tu)5 含(han)氣率(lv)為50%時對稱(cheng)面上的(de)靜壓分布(bu)
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圖6 含氣(qi)率為75%時對稱面上的靜壓分布
由(you)壓(ya)力云圖可得,當(dang)開啟高度為(wei)(wei)3mm,含氣(qi)(qi)率分(fen)(fen)(fen)別(bie)(bie)為(wei)(wei)25%,50% ,75% 時,閥球(qiu)上(shang)(shang)下壓(ya)差分(fen)(fen)(fen)別(bie)(bie)為(wei)(wei)0.06,0.04,0.02MPa;當(dang)開啟高度為(wei)(wei)5mm,含氣(qi)(qi)率分(fen)(fen)(fen)別(bie)(bie)為(wei)(wei)25%,50% ,75% 時,閥球(qiu)上(shang)(shang)下壓(ya)差分(fen)(fen)(fen)別(bie)(bie)為(wei)(wei)0.04,0.02,0.01MPa;當(dang)開啟高度為(wei)(wei)7mm,含氣(qi)(qi)率分(fen)(fen)(fen)別(bie)(bie)為(wei)(wei)25%,50% ,75% 時,閥球(qiu)上(shang)(shang)下壓(ya)差分(fen)(fen)(fen)別(bie)(bie)為(wei)(wei)0.02,0.01,0.01MPa. 以(yi)上(shang)(shang)分(fen)(fen)(fen)析表(biao)明:
1) 在(zai)同一(yi)含氣率的(de)(de)條件下,隨(sui)著(zhu)開(kai)啟高度的(de)(de)增大(da),閥球(qiu)上下壓差(cha)逐漸減小。
2) 在某一(yi)較(jiao)小(xiao)的固定開啟高度(du)時,閥(fa)球上(shang)下(xia)壓差隨含(han)氣率(lv)增大(da)而減(jian)小(xiao); 開啟高度(du)較(jiao)大(da)時,含(han)氣率(lv)對(dui)閥(fa)球上(shang)下(xia)壓差影響(xiang)較(jiao)小(xiao)。
3) 含氣率大時,閥球上(shang)下壓差(cha)較小且(qie)受(shou)開啟高度的影響較小。
4) 在球閥的整個流場(chang)中,閥隙處的壓強最小(xiao)。
3.2 速度分析
圖7-9為不同含(han)氣率和開啟(qi)高(gao)度下(xia)流場Y-Z截(jie)面上的速度云(yun)圖和流線圖。
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圖7 含氣率(lv)為25%時不同(tong)開啟高度(du)的速度(du)云圖和流線(xian)圖
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圖(tu)8 含氣率為50%時不同開啟高度的速度云圖(tu)和流線圖(tu)
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圖(tu)9 含(han)氣率為75%時不同開啟高度的速度云(yun)圖(tu)和流(liu)線圖(tu)
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由速度云圖可知(zhi):氣(qi)液比一定(ding)時,由于過流(liu)斷面突然(ran)減小(xiao),閥(fa)(fa)(fa)隙處的(de)流(liu)速最大。隨著開啟(qi)(qi)(qi)高(gao)度的(de)增大,閥(fa)(fa)(fa)隙流(liu)速不斷減小(xiao)。圖7中,開啟(qi)(qi)(qi)高(gao)度為5mm時,閥(fa)(fa)(fa)隙流(liu)速為10m/s;開啟(qi)(qi)(qi)高(gao)度為7mm時閥(fa)(fa)(fa)隙流(liu)速只有7m/s。
由(you)流(liu)(liu)線(xian)圖可知,在閥(fa)隙附近有(you)部分介質由(you)于壓差的作用回(hui)(hui)流(liu)(liu),之(zhi)后被閥(fa)隙的高速介質帶(dai)出。例如(ru)圖7a中(zhong)的流(liu)(liu)線(xian)所示,部分介質從(cong)出口回(hui)(hui)流(liu)(liu),但在閥(fa)隙附近流(liu)(liu)線(xian)方向突然改變(bian),與從(cong)閥(fa)隙流(liu)(liu)出的介質一起沿著閥(fa)球壁附近流(liu)(liu)出。
另外(wai),當開(kai)啟(qi)高(gao)度為(wei)3mm時,含(han)氣(qi)率(lv)(lv)分別為(wei)25% ,50% ,75% 對應的(de)(de)(de)閥隙流速均為(wei)15m/s。由上可知,同(tong)一開(kai)啟(qi)高(gao)度下(xia),含(han)氣(qi)率(lv)(lv)對閥隙流速的(de)(de)(de)影響不大。但同(tong)一開(kai)啟(qi)高(gao)度下(xia)不同(tong)含(han)氣(qi)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)流線(xian)(xian)不同(tong),如開(kai)啟(qi)高(gao)度為(wei)3mm時,含(han)氣(qi)率(lv)(lv)為(wei)75%的(de)(de)(de)流線(xian)(xian)圖出現交叉流線(xian)(xian),不同(tong)于另外(wai)2種開(kai)啟(qi)高(gao)度的(de)(de)(de)流線(xian)(xian),說明含(han)氣(qi)率(lv)(lv)對介(jie)質的(de)(de)(de)流動狀態有一定的(de)(de)(de)影響。
3.3 相態分布分析
圖(tu)10為開啟高度為3mm時(shi),不同含氣(qi)率的(de)氣(qi)相體積分數分布云圖(tu)。
由圖10可知,氣(qi)(qi)(qi)相(xiang)主要分布在閥(fa)(fa)球(qiu)(qiu)壁(bi)附近,遠離閥(fa)(fa)球(qiu)(qiu)的(de)氣(qi)(qi)(qi)相(xiang)介(jie)(jie)質(zhi)逐漸減少。通(tong)過模擬(ni)結果可知,氣(qi)(qi)(qi)相(xiang)介(jie)(jie)質(zhi)密度(du)較小,在閥(fa)(fa)球(qiu)(qiu)開啟前,閥(fa)(fa)球(qiu)(qiu)底部分布的(de)主要為(wei)氣(qi)(qi)(qi)體,球(qiu)(qiu)閥(fa)(fa)開啟后,氣(qi)(qi)(qi)體介(jie)(jie)質(zhi)首先排出。這表(biao)明,氣(qi)(qi)(qi)液(ye)兩(liang)相(xiang)分界較為(wei)明顯(xian),有利于氣(qi)(qi)(qi)相(xiang)介(jie)(jie)質(zhi)的(de)單獨回(hui)收。
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圖(tu)10 不同(tong)含氣率時氣相體積分(fen)(fen)數(shu)分(fen)(fen)布云圖(tu)
4 結論
1) 在(zai)(zai)含(han)氣率一定的(de)條件(jian)下,隨著開啟高度的(de)增大,閥球上下壓(ya)(ya)(ya)差逐漸減(jian)小(xiao); 在(zai)(zai)球閥的(de)整個(ge)流場中,閥球底部(bu)壓(ya)(ya)(ya)力最大; 閥隙(xi)處(chu)壓(ya)(ya)(ya)力梯(ti)度大,閥座倒角(jiao)下端處(chu)較容易(yi)產(chan)生氣蝕。
2)在含氣率一(yi)定時,閥隙流(liu)(liu)速(su)隨著開啟(qi)高度(du)的(de)增(zeng)大不斷減小(xiao)。 部(bu)分(fen)介質由于壓差的(de)作用回流(liu)(liu),之后被(bei)閥隙的(de)高速(su)介質帶出。同一(yi)開啟(qi)高度(du)下,含氣率對閥隙速(su)度(du)的(de)影響不大,但對流(liu)(liu)動狀態(tai)有(you)一(yi)定的(de)影響。
3)新型(xing)轉子(zi)式油氣混(hun)輸泵在輸送氣液兩相介質(zhi)時,氣相主(zhu)要分(fen)布在閥(fa)球壁附(fu)近,遠(yuan)離閥(fa)球氣相介質(zhi)逐漸減少。