输气管线用射流涡流工具的设计及分析*

屈文涛,郭燕楠,孙艳萍

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

0 引 言

天然气在开采运输中，井下液体将随着气体一起进入输气管道。随着地势起伏、外界温度的变化，部分液体滞留在管道内，导致气体过流面积减小同时还会造成冻堵、腐蚀管道，严重影响天然气的运输[1-3]。针对这一现象，提出将射流泵与涡流工具的特性结合的射流涡流工具，该工具以管线内气体为动力源，通过射流降压使管道内积液与气体混合，为液体提供动力，再将混合液体的流动状态由直流变为涡流，减小了气液两相行进中的摩擦损失，将积液带出管线。

射流泵经过长时间的发展，已经形成了一套完整的设计理论体系，广泛应用于石油化工中，如深井采油、天然气井排水采气等；涡流工具于2011年由中石油首次引进，在苏里格气田、大庆徐深气田等进行了现场试验，效果显著[4]，目前也有应用于地面集输管线消除管道内积液的试验[5]。而将射流泵与涡流工具结构优势综合利用应用于天然气开采、运输中携液方面的研究目前还鲜有报道。

1 射流涡流工具结构组成及工作原理

射流涡流工具由喷射接头、喉管、导流管、绕流器、套管组成，如图1所示。气体由喷射接头进入喉管，随着流动区域界面半径逐渐减小，在喉管变径段产生真空，管线下方积液在压力差的作用下通过豁口进入喉管，与气体进行混合和能量交换，在喉管末端两种流体混合完全，速度趋于一致。混合液体经由导流管的三个出气口进入套管并沿着绕流器上螺旋翼运动，流动状态由直线紊流变为螺旋状涡流，密度较大的液体被甩向井壁，密度较小的气体在管道中心流动。此时，管线内滞留的积液获得向前的动力，并沿着管壁向出口螺旋运动，气体速度也得到提升，达到带出积液、增加气体流速的目的。

图1 输气管线射流涡流工具1.喷射接头 2.喉管 3.导流管 4.绕流器 5.套管

2 射流涡流工具的设计

喷射接头、喉管以及绕流器为射流涡流工具的主要零件。喷射接头确保气体产生的压差可以将管线内的积液吸入喉管，喉管保证气液两相可以完全混合，绕流器的结构与旋流持续距离有关。

(1) 喷射接头

喷射接头形状采用渐缩有柱型，可以减小水力损失，低压工作环境下内部收缩角为15°～45°，中高压工作环境内部收缩角为8°～13°[6]，出口直径可由公式计算：

(1)

式中：D1表示喷嘴出口直径，m；Q1表示工作流体体积流量，m3/s；u1表示喷嘴出口速度，m/s。

(2) 喉管

喉管分为入口变径段与混合段两部分。变径段采用收缩圆锥形设计，长度L1=(0.5～1)D2。为保证气液两相流体有足够空间充分混合，混合段采用圆柱形，若长度过短无法将流体充分混合，过长则会增加摩阻损失，最优长度L2=(5～7)D2[8]。

(3) 绕流器

绕流器主要参数包括螺旋翼翼高、螺旋角度及导程，翼高一般取值为4～9 mm，螺旋角度选择区间为45°～70°，1～2倍导程[9-11]，通过对上述参数进行数值模拟分析后，得到最优尺寸为翼高5 mm，螺旋角度70°，2倍导程。

3 模型与参数设置

3.1 几何模型

射流涡流工具总长为1 165 mm，喷射接头出口内径40 mm，喉管混合段内径70 mm，绕流器直径70 mm，螺旋角度70°，2倍导程。使用Pro/E软件建立射流涡流工具三维模型，如图2；根据模型中气液流过的区域建立流域的模型，导入ICEM CFD中进行网格划分，如图3；最后导入流体分析软件FLUENT中进行流场分析。

图2 射流涡流工具三 图3 射流涡流工具流体 维模型图 区域网格划分

3.2 数学模型

(1) 多相流模型

射流涡流工具在工作过程中，包含射流、旋流等复杂流动状态，气液两相既有混合也有分离，且两相之间存在相互作用力，计算要求精度高，因此选用欧拉模型进行计算。其控制方程组如下。

连续性方程：

(2)

动量方程：

(3)

能量方程：

(4)

式中：k为相的角码；uk为各相速度向量；Pk为各相压力标量；I为单位张量；T为剪应力张量；gk为重力加速度向量；ek为比热力学能。

(2) 湍流模型

湍流模型包含单方程S-A模型、双方程k-ε模型、五方程RSM模型、LES模型等，其中雷诺应力模型(RSM模型)可以模拟出旋转流动及流动方向表面曲率变化，摒弃了涡黏性假设，对复杂的流体流动有更高的精度，因此湍流模型选用雷诺应力模型。具体形式为：

(5)

式中：左边第二项为对流项，右边依次为湍流扩散项、分子扩散项、应力产生项、浮力产生项、压力应变项、耗散项、系统旋转产生项。

3.3 边界条件设置

射流涡流工具两个入口边界,入口1采用速度入口，初始速度为7 m/s，入口2为压力入口，初始压力为5.65 MPa，其中入口1水力直径为92 mm，入口2水力当量直径为35 mm。设气相为第一相，液相为第二相，入口1液相体积分数为0.1，入口2液相体积分数为1。出口边界为压力出口边界，设定压力5.75 MPa，壁面条件选用标准面函数处理壁面边界层流，压力和速度的耦合方式采用SIMPLE算法。

4 仿真结果分析

4.1 流动速度

如图4所示，气体通过喷射接头后，流域逐渐缩小，喉管前端有液相汇入，在喉管末端流体分布均匀，混合流体经绕流器后运动形式由直线流动变为螺旋流动。具体速度变化如图5所示，气体在进入喷射接头后速度成倍数增加，随后出现大幅下降，这是由于管线内积液与气体发生能量交换导致；在经过绕流器后，速度由最低开始缓慢上升，而后趋于平稳，与初始速度相比增加一倍。

图4 流体流动轨迹示意图

图5 流体轴向速度示意图

4.2 压力分布

天然气在管道运输过程中，受沿程阻力以及积液的影响，由井口至管道出口压力呈逐渐减小的状态。在安装射流涡流工具后，压力在工具内部的变化起伏较大，而后保持稳定，如图6、7所示。通过对轴线上压力分布曲线分析发现，气体通过喷射接头后压力突然降低，在气体与积液混合时出现缓慢回升。待混合流体经过绕流器时，由于流通区域减小，流动状态由直流变为旋流，压力降低幅度大，而后保持稳定。与初始入口压力5.65 MPa相比，通过射流涡流工具后，压力出现一定增长，且该压力可以维持一定的距离，因此，射流涡流工具可以减小运输中的压力损失，降低管线内运输压差。

图7 射流涡流工具轴向压力分布曲线

4.3 携液效率

从图8可以看出液体体积分数在体积分布云图上呈现出靠近流域中心处液相体积趋近于0，流域外围体积分数最大。由于液相的密度远大于气体，在进行螺旋运动时，被离心力的作用甩向管壁，在重力的影响下，旋流下方切向速度大于上方，导致管壁下方液体较上方体积分数大。

图8 液相体积分数云图

输气管线内的日产气量并非固定，当产气量不同时，射流涡流工具的入口速度将产生变化，导致携液量发生变化。根据产气量的实际情况，将日产气量的最大值与最小值计算得到的平均流速设置为入口速度，入口处液相体积分数为0.1，得到不同入口速度下液体的体积分数。如图9所示，出口处液相体积分数明显大于0.1，说明管线内静止的积液通过射流涡流工具后被气体带出；当入口速度为6 m/s时，工具携液效率最高，当速度大于6 m/s后，携液量相对减少。这是由于当管线内的速度超过一定大小时，产生的压降过大，导致部分液体回流，从而减小了气体的携液能力。

图9 液相体积分数云图

4.4 有效作用长度

射流涡流工具的有效作用长度主要取决于旋流流动维持的距离，当旋转强度减小为0时，气液流体将恢复直线流动。此时距离工具出口的距离为射流涡流工具的有效作用长度。流体旋转流动时流体旋转强度与流体轴向速度和流体切向速度有关，通过公式计算可得射流涡流工具的有效作用长度:

(6)

式中：S为旋流强度；B为衰减系数，与轴向速度与切向速度有关；L为旋流长度；D为管道直径。

图10、图11为不同入口速度下射流涡流工具出口处的轴向速度和切向速度，由图10、11可见，随着入口速度的增大，出口处轴向速度和切向速度也随之增大。在经过射流涡流工具的加速后，轴向速度增大为初始速度的2～3倍，切向速度增大为初始速度的5～6倍。

图10 不同入口速度下出口轴向速度

图11 不同入口速度下出口切向速度

由图12可以看出，流体经过射流涡流工具后，有效作用长度在100 m以上，且入口速度越高，作用距离越长，最高可达600 m，远大于单独使用涡流工具的作用长度。

图12 不同入口速度下有效作用长度

5 结 论

(1) 管线内气体进入射流涡流工具后，工具内部速度、压强起伏较大，出口轴向速度相较入口速度提高一倍；出口处压强相较入口压力增加5%，且能在一段距离内保持平稳。说明加装射流涡流工具后不仅可以增加气体流动速度并且能够降低管线输差。

(2) 射流涡流工具出口处的液相体积相较入口处液相体积增加50%～200%，证明气体在进入射流涡流工具后有部分液体与气体混合，即气体将管线内部分积液带出。当入口速度为6 m/s时，出口处液相体积增加量最明显，携液效果最佳。

(3) 普通涡流工具的携液距离一般为20～200 m，射流涡流工具的有效作用长度为100～600 m，且随着入口速度增大，射流涡流工具出口处的轴向速度和切向速度也随之增大，有效作用长度大幅度提高。

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