笼套式节流阀内流场数值模拟及水合物生成

李智博，罗 璇，陈 军，马 强，孔祥雷

(承德石油高等专科学校 热能工程系，河北 承德 067000)

水下节流阀是采油树中重要的过流部件，工作中其压力、温度、速度的变化剧烈，易造成阀芯的损坏[1,2]。对于天然气的节流，节流后温度、压力骤降，极有可能生成水合物[3-5]，这将影响正常的油气生产，甚至造成严重的生产事故。因此，研究水下节流阀的流场特性，对于优化操作工艺、确定阀门各工况下开始生成水合物的临界开度，保证阀门工作的可靠性与安全性具有重要意义[6,7]。

国内外的学者在阀门数值模拟以及天然气水合物的生成方面已做了大量研究[8-12]。本文通过数值模拟到了节流阀内流场的特征，分析了节流阀工作过程中较易出现损坏和堵塞的部位，同时通过分析了节流过程中水合物生成的影响因素，提出了一种基于计算条件的阀门临界开度的确定方法。

1 几何模型及网格划分

笼套式节流阀的结构如图1所示，公称通径为130 mm，公称压力为69 MPa，阀门具有等百分比流量特性，外部流量环行程(关闭到完全开启)为110 mm。流体从水平进口段流入，流经节流阀后由竖直出口段流出。流通面积的变化通过外部流量环的竖直位移的改变来实现。

阀芯结构如图2所示，通径130 mm，节流通道由两对轴线垂直的圆孔组成，大孔直径90 mm，小孔直径20 mm。

使用Ansys 14.0中的Geometry模块建立阀门流道的几何模型，阀门全开时的流道几何模型如图3所示。使用Ansys 14.0中的Mesh模块进行网格划分，对节流阀的水平进口段、竖直出口段的圆柱形流体域和流量环内部的流体域，采用图4所示的切分方式并划分六面体结构化网格，对阀腔内部的流体域划分四面体非结构化网格。为保证计算的精度和效率，对计算流体域网格的无关性进行了验证[13]，最终采用的网格尺寸为2.8 mm，网格数量为4 706 577。

2 数值模拟及结果

使用Ansys软件对节流阀内流场进行数值模拟，求解器设置如下：1) 流体密度变化遵循实际气体的Redlich-Kwong方程，动力粘度初始值1.087×10-5Pa·s；2) 使用分离求解器和隐式算法；3) 湍流模型选择标准湍流模型；4) 近壁区采用标准壁面函数法；5) 固壁面使用无滑移边界条件；6) 压力速度耦合采用SIMPLEC算法； 7) 离散格式全部采用二阶迎风格式；8) 边界条件为质量流量入口、压力出口。

设定参数范围：单井日产气量2×104～105m3/d(0.154～0.773 kg/s)，进口温度30 ℃～120 ℃，下游管线压力10 MPa。对阀门不同开度、不同进口质量流量、不同进口温度时的流场进行了数值模拟。根据数值模拟的结果，对于同一开度，在不同的进口流量、不同的进口温度条件下，流场特性基本相同，因此，本文取相对开度59%的流场特性作为说明，其计算条件为：质量流量Qm=0.773 kg/s，进口温度Tin=30 ℃，出口压力Pout=10 MPa。

2.1 压力场

如图5所示，进口段压力分布均匀，流体进入环形腔后，由于流通面积减小，流体受阻，在环形腔的上下两侧靠近流量环壁面处形成了两个相对高压区，流体进入节流孔后，压力迅速降低，节流孔处存在较大的压力梯度，在靠近节流孔壁面处存在局部低压区，流体由节流孔流出后，相互撞击，碰撞的中心区由于流速的减小，压力略有增大，因此，在图中可以看到压力恢复区。

2.2 速度场

如图6所示，在两侧大孔碰撞后汇聚的竖直流和经小孔流出的水平流的相互作用下，产生漩涡，因此在竖直出口段的上部出现了类似流动分离区的区域，这将导致有效过流面积的缩小，使得竖直流的速度增大，形成类似射流的高速流动区。漩涡主要存在于流量环内空腔、流体对撞的交界面、流动的死角区和高速主流的两侧，当有固体颗粒存在时，速度快速增加的区域，即节流孔及附近壁面会产生较为严重的冲蚀磨损，这在节流阀的设计中可采取一定的优化措施。

2.3 温度场

如图7所示，入口段温度分布均匀，流体进入环形腔后温度略有升高，进入节流孔后，温度迅速降低，节流孔处存在较大的温度梯度，越接近节流孔壁面的地方温度越低，节流孔内壁靠近流体下游的区域存在明显低温区。结合压力场可知，节流孔及附近壁面存在着高压-低温区域，这为水合物的形成提供了有利的条件。

3 节流过程水合物生成分析

3.1 进口温度对阀门临界开度的影响

对质量流量0.773 kg/s，出口压力10 MPa，进口温度取不同值时，阀门不同开度的流场进行数值模拟，将流场内压力-温度点的分布对比水合物预测曲线[14]，以确定临界开度。

如图8所示，相对开度小于等于32%时，出现满足水合物生成条件的温度-压力点，相对开度大于等于45%时，没有水合物生成，在此区间重复取不同开度的压力-温度分布点对比水合物预测曲线，最终确定在本计算条件下，生成水合物的临界开度是43%，即开度小于等于43%时开始有水合物生成。依此方法可得进口温度-临界开度的关系曲线如图9所示。

3.2 质量流量对阀门临界开度的影响

对进口温度Tin=30 ℃，出口压力10 MPa，质量流量取不同值时，阀门不同开度的流场进行数值模拟，将流场内压力-温度点的分布对比水合物预测曲线，以确定临界开度。依此方法确定的质量流量-临界开度的关系曲线如图10所示。

3.3 进口温度-质量流量-临界开度函数关系

节流阀进口温度-质量流量-临界开度之间的关系可拟合为如下公式：

Lc=L0+aT+bQ+cT2+dQ2+eTQ

其中，T为进口温度(℃)，Q为质量流量(kg/s)，Lc为临界开度(%)，L0=9.372，a=-0.386，b=54.520，c=0.004，d=23.569，e=-0.757。

4 结论

1)由数值模拟得到节流阀的流场特性，节流孔及附近壁面是较易产生冲蚀磨损的区域，这在节流阀的设计中可采取一定的优化措施。

2)对于压力场和温度场的分析可知，节流孔及其附近壁面由于存在着高压-低温的区域，存在着水合物的生成风险。

3)随着节流阀进口天然气温度的升高，临界开度减小，即可操作的安全开度范围是较大的，随节流阀进口天然质量流量的增大，临界开度增大，即可操作的安全开度范围是减小的。

4)通过分析进口温度-质量流量-临界开度之间的关系，可得到三者之间在本文计算条件下的函数关系式，这为临界开度的确定提供了依据，对保证阀门工作的可靠性与安全性有一定的意义。