天然气凝析液射流清管器结构参数的数值模拟研究*

刘永飞 杨壮春 李清平 林 林

(1.中海油研究总院；2.中海石油深海开发有限公司)

天然气凝析液射流清管器结构参数的数值模拟研究*

刘永飞**1杨壮春2李清平1林 林2

(1.中海油研究总院；2.中海石油深海开发有限公司)

通过对一种用于天然气凝析液管道的射流清管器进行Fluent数值模拟，研究了不同结构参数对射流效果的影响，验证了用Fluent预估射流清管器控制阀门弹簧预紧力的可行性，为天然气凝析液射流清管器结构研发提供了理论依据。

射流清管器 结构参数 阀门控制弹簧 射流孔形状

为了解决油气管输过程中杂质沉积、蜡沉积以及凝析液聚集等问题，工程上常采取投放清管器的方式进行清管作业[1，2]。在清管器中间开一定大小、形状的孔，允许一部分流体经过的清管器叫做旁通清管器或者射流清管器。射流清管器按照应用分为两种:清蜡射流清管器和控制段塞射流清管器。应用于原油管输中的清蜡射流清管器，其射流孔的作用是在清管器发生卡堵时射流能够清理积蜡，使清管器重新启动。应用于天然气凝析液管线的控制段塞射流清管器在清管过程中，允许部分输送气体从射流孔经过，将段塞流改变为层流，使滞留液分布到更长距离的管道中，从而防止瞬时清管段塞过大导致终端段塞捕集器过载[3]。

为了使射流清管器在清管过程中发生卡堵时能够尽快启动，避免因射流孔而导致的清管器不能及时重新启动问题，设置能够关闭射流孔的阀门是一种有效的方法。该阀门由特定的弹簧控制，当清管器发生卡堵时，清管器背压升高，推动阀门控制弹簧使阀门关闭，从而使清管器背压迅速升高，推动清管器继续清管。

笔者针对某海底天然气管线用射流清管器进行数值模拟分析，得出了影响流场的主要结构参数并找到了预估阀门预紧力的方法。

1 计算模型

6′ 管线用实际射流清管器结构如图1所示，选取其中的射流旁通部分过流流道为计算域，其中阀门和支撑板为主要扰流部件(图2)。笔者采用SCDM建模，射流清管器的过流流道部分与清管器前后的两段管段一起构成了建模区域(图3)，并采用Ansys软件中Mesh模块划分网格。该模型全部采用Patch Conforming方法划分为四面体网格，检查网格扭曲度为0.8，达到了计算要求。

图1 射流清管器结构

图2 射流旁通部分剖面图

图3 计算模型及其网格划分示意图

该模型进出口皆为压力边界条件，出口边界条件为大气压，入口边界条件分别选取工况为表压5、10、15、20、30、40kPa。湍流计算模型选Standardk-ε模型，从迭代的收敛速度和稳定性方面考虑，速度-压力耦合方式设为SIMPLE算法；松弛因子均保持默认值，为尽量增加最终结果的准确性离散格式先利用一阶迎风迭代计算到收敛，然后再利用二阶迎风提高精度。为了方便与实验数据比较，气相介质采用可压缩空气。

2 实验模型

射流清管器射流模型(图4)为有机玻璃材料的流体通道和不锈钢材料的扰流部件组成，扰流部件主要包括固定法兰和阀门，模型尺寸完全与数值模拟建模尺寸一致。将与数值模拟参数一致的射流清管器实验模型固定在管路中，利用压缩机改变清管器前后压差，由罗斯蒙特3595电容式压力变送器分别测出不同压差下阀门受力，即弹簧应该达到的预紧力值，具体将传感器探头放置于阀门与固定法兰之间。

图4 射流清管器实验模型

3 计算结果分析

3.1 射流孔结构参数对射流流场的影响

射流孔结构参数主要有射流出口角度、射流锥段过渡弧半径和射流孔喉部长度(图5)。

图5 射流孔结构参数示意图

3.1.1射流出口角度

模拟计算射流出口角α分别取0、arctan0.1、arctan0.2、arctan0.4这4种情况下，不同位置的流场对比情况如图6～9所示。

由图6、7可以看出，随着射流出口角的增大，等速流核区中心处速度减小明显；当α角增大到arctan0.2后，等速流核区中心开始出现低速度区域，当α角增大到arctan0.4后，低速度区域增大明显，射流开始出现分叉，这时射流明显偏向边壁方向喷射而出。射流出口角的不同对等速流核区的大小基本没有影响，速度在0.5m处达到管道的平均稳定速度。

由图8、9可以看出，轴心位置处的湍动能大小随着α角的增大衰减明显。湍动能在轴向小于0.15m的范围内受α角影响较小；湍动能在轴向大于0.60m的位置后都达到平稳值，并缓慢接近0，受α角的影响也较小；在轴向0.15～0.60m的范围内无论是轴心位置还是靠近边壁位置，湍动能衰减明显。

从整体速度上看，随着α角增大，射流流场的最高速度明显降低，不利于射流清管器对液塞的吹扫。从湍动能方面考虑，α角增大后湍动能出现非常明显的衰减，也不利于射流清管器对液塞的吹扫。当然从敷设药剂的方面考虑，采用一定的α角度是有利的。

3.1.2射流锥段过渡弧半径

模拟计算R分别为0、20、30mm这3种结构参数对射流流场的影响(图10、11)。通过对流场的分析发现，当由R=0mm改变到R=20mm后，等速流核区有一定的增长；当由R=20mm改变为R=30mm后，等速流核区基本没有增加。所以，增加一定的倒圆有利于射流，但是当增加到一定半径后，影响不明显。从整体上讲，R的值对射流效果影响较小。

图6 轴线位置速度的变化规律

图7 管壁附近位置处速度的变化规律

图8 轴线位置湍动能的变化规律

图9 管壁附近处湍动能的变化规律

图10 中心轴线位置射流速度随轴向位置的变化趋势

图11 中心轴线位置射流湍动能随轴向位置的变化趋势

3.1.3射流孔喉部长度

如图12、13所示，随着射流口喉部长度的增加，在轴向距离小于0.5m的范围内，速度和湍动能都出现了一定程度的降低，这是由于喉部的增长加大了能量在喉部的损失；在轴向距离大于0.5m的范围内，湍动能和速度都达到稳定值，基本不受喉部长短的影响。但是从速度和湍动能大小上看，喉部长短影响比较小。因此，在设计喉部长短时，优先考虑射流清管器重量平衡与稳定，在此基础上，尽量减小喉部的长度。

图12 轴线位置速度随轴向位置的变化规律

图13 轴线位置湍动能随轴向位置的变化规律

3.2 阀门控制弹簧预紧力分析

阀门控制弹簧是为了保证在射流清管器发生卡堵的时候能够使阀门在背压作用下及时关闭，从而使背压增大，推动射流清管器重新启动。弹簧预紧力和阀门受力是作用力与反作用力的关系，因此要想计算阀门预紧力，可以通过检测或计算阀门所受力间接所得。如图14所示，阀门受力面主要有face1至face7一共7个面，其中face6和face7主要受粘性力作用，要小于其他面。因此，主要通过Fluent计算检测face1至face5一共5个界面受力的合力。

图14 阀门受力示意图

图15为实验条件下和数值模拟条件下，弹簧预紧力随压差的变化情况曲线。得出实验拟合曲线F=2.31p+3.6，模拟计算曲线F=2.32p-24。

笔者定义系数2.31和2.32为等效面积系数，定义3.6和-24为修正值。对比可以发现，两个公式的等效面积系数基本一致，相对误差约为0.4%，可忽略不计。两个公式的主要差别在于修正值，理论上说，修正值应该为0，因为p为0时，F应该为0，但是数值模拟值和实验值都不为0。笔者分析实验值不为0主要是因为检测设备误差；数值模拟修正值误差的原因还有待继续研究。

图15 实验值与数值模拟值的比较

总之，预测阀门预紧力的主要参数是等效面积系数，等效面积系数的大小与实验模型的大小和结构有关。从实验模型的实验检测值与数值模拟值的比较可以发现，等效面积系数可以很好地预测阀门预紧力的真实值。

4 结论

4.1射流出口角是影响射流流场的主要因素，过渡段弧半径和射流孔喉部长度对射流流场影响较小。

4.2随着射流出口角增大，射流速度场和湍动能场都出现了明显的衰减，并且在射流出口角为22°左右出现流场分叉。因此，设计目的为控制段塞的射流清管器时，射流出口角取0°；设计药剂敷设用射流清管器时，射流出口角取大于22°。

4.3阀门弹簧预紧力与压差成线性关系，斜率可以用等效面积系数表示，等效面积系数的数值模拟结果与实验结果吻合非常好。数值模拟计算等效面积系数，是预估弹簧预紧力的关键。

[1] Söderman O，J önsson B. Pigging Dynamics in Two-Phase Flow Pipelines: Experiment and Modeling [J]. International Journal of Multiphase Flow，1996，22(1):145～146.

[2] Klemp S，Meland B，Hustvedt E，et al. Operational Experiences from Multiphase Transfer at Troll[C]. Multiphase 97 Frontier Technology Comes of Age. Cannes: BHR Group Limited，1997:477～496.

[3] Wu H L，Spronsen G V，Klaus E H，et al. By-pass Pig Passes Test for Two-Phase Pipelines[J]. Oil & Gas Journal,1996,94(42)：73～74,76～77.

NumericalStudyonStructureofBy-passPiggingforNGLPipeline

LIU Yong-fei1, YANG Zhuang-chun2, LI Qing-ping1, LIN Lin2

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.CNOOCDeepwaterDevelopmentCo.,Ltd.,Zhuhai519000,China)

The Fluent software was adopted to simulate by-pass pigging of NGL pipeline and the structure parameter’s influence on jet flow was discussed. The possibility of applying Fluent software to predict spring’s pre-tightening force of by-pass pigging valve was proved to provide theoretical basis for by-pass pigging development of the NGL pipeline.

by-pass pigging, structure parameter, valve control spring, jet hole’s shape

*国家科技重大专项课题(2011ZX05026-004)。

**刘永飞，男，1988年3月生，工程师。北京市，100028。

TQ055.8

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0254-6094(2016)04-0513-05

2015-06-29，

2015-08-04)