往复式油气混输泵出口单向锥阀角度分析

2013年第6期第42卷第64页石油矿0LLFIELD场机械EQUIPMENT2O13，4266467文章编号1O013482201306006404往复式油气混输泵出口单向锥阀角度分析张生昌，王熠东，邓鸿英，马艺，杨琳，张华军1浙江工业大学工业泵研究所，杭州310014；2杭州市特种设备检测院，杭州310003摘要为了研究往复式油气混输泵出口单向锥阀对多相介质流动特性的影响，采用计算流体动力学CFD方法对阀的内部流场进行数值求解，并利用FLUENT软件进行流场模拟，分析获得了阀芯锥角对流量系数、稳态液动力和阀出口附近介质相态分布的影响。结果表明相同阀芯锥角下，气液比对流量系数的影响可以忽略；综合考虑流动特性，阀芯锥角取9O。会有较佳的效果。关键词油气混输泵；单向锥阀；CFD；流动特性中图分类号TE933302文献标识码AANALYSISOFVALVECOREANGLEFORONEWAYPOPPETVALVEINRECIPROCATINGOILGASMULTIPHASEPUMPOUTLETZHANGSHENGCHANG，WANGZHAODONG，DENGHONGYING，MAYI，YANGLIN，ZHANGHUAJUN1INSTITUTEOFINDUSTRIALPUMP，ZHEJIANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，HANGZHOU310014，CHINA；2HANGZHOUSPECIALEQUIPMENTINSPECTIONINSTITUTE，HANGZHOU3L0003。CHINAABSTRACTTOSTUDYTHEINFLUENCEOFVALVECOREANGLEONMULTIPHASEFLOWPROPERTIESOFONEWAYPOPPETVALVEINRECIPROCATINGOILGASMULTIPHASEPUMPOUTLET，THECOMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSMETHODISADOPTEDTOSIMULATEANDANALYZETHEINTERNA1FLOWFIELDTHESIMULATIONSOFDIFFERENTVALVECOREANGLESARECARRIEDOUTATDIFFERENTGASLIQUIDRATIOSDEPENDINGONSOFTWAREFLUENTTHERELATIONSHIPSBETWEENVALVECOREANGLEANDDISCHARGECOEFFICIENT，STEADYSTATEFLOWPOWER，PHASEDISTRIBUTIONAREOBTAINEDTHERESULTSSHOWTHATINTHESAMEVALVECOREANGLE，GASLIQUIDRATIOINFLUENCEONDISCHARGECOEFFICIENTCANBEIGNOREDANDCONSIDERINGTHEIMPACTOFVARIOUSASPECTSOFTHEFLOWPROPERTIES，VALVECOREANGLETAKE90。WILLHAVEBETTEREFFECTKEYWORDSOILGASMULTIPHASEPUMP；ONEWAYPOPPETVALVE；CFD；FLOWPROPERTY油田在集输系统中逐步采用油气混输工艺，促进了我国多相流设备的研究，例如多相泵、多相节流阀等J。往复式油气昆输泵是一种新型容积式多相泵，而出口单向锥阀是其最重要的过流部件，目前对其输送高含气量气液混合介质时的流动特性研究较少。本文利用CFD软件对往复式油气混输泵单向锥阀流场进行数值仿真，分析在不同气液比下阀芯锥角对流动特性的影响，总结相关的参数变化规律，对该类泵阀的设计与结构优化均具有重要理论意义和工程参考价值。1结构与建模11单向锥阀结构往复式油气混输泵的单向锥阀主要由进VI阀板、阀体、排出阀芯、等组成，结构如图1，箭头所指为流体流动方向。主要结构尺寸是阀座孔当量直径D一40MM，出口流道B一8MM，阀芯锥角为一般常用设计范围90。120。，阀口开度为H最大允收稿日期20121228作者简介张生昌1956，男，江西新于人，教授级高级工程师，主要从事泵技术研究及特种泵开发，ZSC666ZJUTEDUCN。第42卷第6期张生昌，等往复式油气混输泵出口单向锥阀角度分析许开启高度5MM。弹簧体升程限位器阀芯阀压会进阀板图1立式单向锥阀结构12几何模型与网格划分由于单向锥阀阀腔结构对称，内部流道是三维轴对称，因此仅取流动区域的12作为研究对象。利用三维设计软件对单向锥阀建模，导人前处理软件GAMBIT进行六面体网格划分。排出阀VI存在节流作用，压力梯度和速度变化都较大，因此对阀口区域的网格进行局部细化，划分后的阀内三维流场如图2。将网格模型导人FLUENT软件进行CFD解析。局部加密速度人【J图2单向锥阀流道三维网格划分13解析条件为了分析混输工况下阀芯锥角对单向锥阀内部流场的影响，建立阀芯开度处于H一3MM，阀芯锥角从90。以5。为梯度变化到120。下的7组模型，然后在CFD解析过程对气液比分别为0，02，04，06，08，10的情况进行模拟仿真研究。文中对单向锥阀进行解析计算时，假设阀内流动为定常流动，忽略流体重力与阀内部流体传热影响，且仅有油液与天然气两相流动；湍流模型选择标准湍流模型，混合MIXTURE模型下油为基本相，天然气为第2相，离散方程的数值求解采用SIMPLE算法。流动介质参数如表1，边界条件设定如图2所示。表1流动介质参数20介质K密度GM,动力PA粘度S11速S譬。2数值模拟结果及分析21流量系数流量系数表征了阀门的最大流通能力，在实际使用情况下，由于阀隙处压力变化梯度大，通过检测阀的进、出F1处的压力来计算流量系数。计算式为LJ一A，2PP式中C为阀口流量系数；Q勾体积流量；AP为阀进出口压差；A为阀隙过流面积。一丌DH1一SIN号式中为阀芯当量直径；卢为油气混合物平均密度。多相泵中气液混合物的平均密度为10一PL1FOAPQQ一。式中10为油液密度；为天然气密度；Q，为油液体积流量；Q为天然气体积流量；为介质气液比。通过对阀芯锥角A从90。变化到120。对应7组模型进行模拟解析，得到不同介质气液比下流量系数的变化曲线，如图3所示。0908纂07媛060504一90。LO5。95。IL一L10。1卜DLOO_一L15。_1广_R一_雪I二O04060810介质气液比图3不同阀芯锥角下流量系数比较由图3可以看出相同阀芯锥角下，介质气液比的变化引起流量系数的变化较小，波动范围小于5，工程上可以忽略；在相同的介质气液比下，阀芯锥角对流量系数有较大影响，流量系数整体随着阀芯锥角增大而减小，这主要是由于随着阀芯锥角增加，压力损失会不断增加，从而造成进出口压差增石油矿场机械2O13年6月大。对泵阀的设计而言，流量系数越大越好，因此阀芯锥角取90。较为合适。22稳态液动力当阀口开度固定时，介质动量变化作用在阀芯上的力称为稳态液动力。液动力的大小不仅影响泵阀控制力大小及阀的稳定性，也是设计排出阀芯上弹簧等部件时所需考虑的重要因素。作用在阀芯上的稳态液动力计算公式为F一FDQ2COS一1厶式中为节流口处的流速；为阀进口处的流速。阀内流量计算公式为QCA,ZPP整理得稳态液动力F一CAA2PZXP732COS一1厶模拟得出阀进、出口实际压差与节流口流速，并代入相应流量系数，用以上公式可求得稳态液动力。在阀开口度H一3IYLM的情况下，通过对不同阀芯锥角模型，不同介质气液比条件的解析，得到不同阀芯锥角下阀芯上的稳态液动力，如图4所示。3530童2520151O50一0一J3O2一304859095100LO5LL0LL5L20125阀芯锥角图4不同阀芯锥角下稳态液动力比较由图4可以看出相同介质气液比时，阀芯上的稳态液动力随阀芯锥角的增大有减小的趋势，但变化趋于平缓，这归因于阀芯锥角的增大对阀隙流速有减小的作用；当阀芯锥角一定时，介质气液比越大稳态液动力在数值上则越小，且下降趋势明显，这主要是因为介质气液比对混合物密度的影响远大于对其他参数的影响。可见，混输工况下介质中液体含量是液动力大小变化的关键，适当增大阀芯锥角有助于在一定程度上减小稳态液动力。23阀芯锥角对介质相态分布影响阀芯出口附近多相流动情况复杂，阀芯锥角对介质排出时流向和阀隙流速产生一定影响，进而影响阀出口附近气液分布和运动趋势。因此在介质气液比口一02的油气混输工况下，模拟阀开口度一定时不同阀芯锥角下的气液分布趋势。图5为阀开口度H一31“1“11“12时不同阀芯锥角对应天然气体积分数分布云图由于篇幅有限，只给出90。、105。、120。锥角下相态分布云图。图5不同阀芯锥角下气相体积分数分布云图由图5知单向锥阀排出油气混合介质时，气相主要分布在阀芯壁面附近，当阀芯锥角较小时，介质竖直方向速度分量较大，由于气相介质阀隙流速略快于液相且几乎不受重力影响，因此绝大多数天然气紧贴锥角向上往空气室运动，少量随液相在侧面出口排出；随着阀芯锥角不断增大，介质水平方向速度分量逐渐变大，天然气则直接向出口方向流动，与油液一同排出。由此可见，阀芯锥角对排出介质有明显的导向作用，在较小的锥角下，阀芯可以较好地使大部分天然气向空气室流动，避免其再次与油液的混合，便于天然气的初步分离和回收。3结论1对于往复式油气混输泵用出口单向锥阀，在不同气液比下，阀芯锥角的变化对阀的流量系数、A6420日642侣惶仲蛇000OO00OO囝2013年第42卷第6期第67页石油矿0ILFIELD场机械EQUIPMENT文章编号10013482201306006703LTJSL00TQ6型蒸汽清蜡车技术改造杨成，任苏朝，牛文录，景莉。，牛燕，张亚丽，钟敏1中国石油天然气股份有限公司青海油田分公司，甘肃敦煌736202；2甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070摘要LTJ5100TQ6型蒸汽清蜡车的锅炉是使用柴油作为燃料，存在运行成本高、排放的废气污染环境的问题。青海油田对其进行技术改造，设计了以天然气作为燃料的燃烧器、供气系统、控制系统等。对改造后的蒸汽清蜡车进行现场测试，性能参数满足生产要求，可节省燃料费用137万元A，作业效率提高1倍，大幅减少了有害气体的排放量。关键词蒸汽清蜡车；天然气燃烧装置；改造；燃油装置中图分类号TE935文献标识码BTYPELTJ5100TQ6STEAMPARAFFINVEHICLERETROFITANALYSISYANGCHENG，RENSUCHAO，NIUWENLU。，JINGLI。，NIUYAN，ZHANGYALI，ZHONGMING1QINGHAIOILFIELDBRANCHCOMPANY，CNPC，DUNHUANG，736202，CHINA；2LANPECTECHNOLOGIESLIMITED，LANZHOU730070，CHINAABSTRACTTHEDIESELISUSED3SFUELFORTHEBOILEROFTYPELTJ5100TQ6STEAMPARAFFINVEHICLE，WHICHRESULTSINHIGHOPERATIONCOSTANDENVIRONMENTPOLLUTIONBYEXHAUSTEMISSIONQINGHAIOILFIELDRETROFITSTHEVEHICLEBYDESIGNINGNATURALGASFUELEDCOMBUSTOR，AIRSUPPLYSYSTEMANDCONTROLSYSTEMTHERETROFITTEDSTEAMPARAFFINVEHICLEISTESTED，WITHPERFORMANCEPARANLETERSMEETINGPRODUCTIONREQUIREMENTS，WHICHCANREDUCETHEFUELCOSTBYRMB137，000ANNUALLY，DOUBLEDTHEOPERATIONEFFICIENCYANDDECREASETHEEXHAUSTEMISSIONKEYWORDSSTEAMPARAFFINVEHICLE；NATURALGASCOMBUSTIONDEVICE；REFORM；FUELDEVICE稳态液动力与出口附近相态分布会引起一些规律性的变化，本文的分析结果对该类泵阀设计和气相介质的初步回收有一定参考价值。2在阀的基本参数和工况不变的情况下，综合考虑多方面流动特性的影响，阀芯锥角取9O。时效果最佳。参考文献1刘定智多相混输技术的研究及其应用D成都西南石油大学，2003E2凌国平国内外油气混输泵技术的研究和发展J华东船舶工业学院学报，2000，145838733于勇，张俊明，姜连田FLUENT入门与进阶教程M北京北京理工大学出版社，2008228233杨国安，黄聪，于丽基于FLUENT的钻井泵阀隙流场仿真计算_J石油矿场机械，2008，3734144张生昌