国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司郑州输气分公司，河南 郑州

收稿日期：2023年6月2日；录用日期：2023年8月16日；发布日期：2023年8月31日

摘要

随着碳达峰碳中和战略目标的实施，解决高压输气站场计划性检维修天然气放空导致的资源浪费和温室效应势在必行。本文以高压输气站场现有输气工艺和现存天然气回收技术为研究对象，通过研究现存天然气回收技术的优缺点，结合引射器工作原理和现场输气工艺特征，提出了一种计划性放空天然气引射回收工艺流程，并对流程中引射器各项参数进行了计算和优化。研究表明：1) 计划性放空天然气引射回收理论切实可行；2) 设计的引射器可以在给定的工况条件下可以稳定工作，实现天然气的全部回收利用；3) 利用fluent软件进行了模拟分析，进一步优化了引射器结构，引射回收系数值从0.42增长到了0.63，引射器工作性能提高约50%；4) 引射天然气回收工艺流程简单，无动设备引入，投资小且天然气回收成本低。

关键词

引射回收，引射橇，天然气，射流效应

Theoretical Research on Planned Blow-off Natural Gas Ejection Recovery in High Pressure Gas Transmission Station

Bingqiang Zhang

China Oil & Gas Pipeline Network Corporation Pipe China West East Gas Pipeline Company (Zhengzhou), Zhengzhou Henan

Received: Jun. 2^nd, 2023; accepted: Aug. 16^th, 2023; published: Aug. 31^st, 2023

ABSTRACT

With the implementation of the strategic goal of carbon peaking and carbon neutrality, it is imperative to solve the resource waste and greenhouse effect caused by natural gas emptying in the planned inspection and maintenance of high-pressure gas transmission stations. This paper takes the existing gas transmission process and the existing natural gas recovery technology of the high-pressure gas transmission station as the research object, through studying the advantages and disadvantages of the existing gas recovery technology, combining the working principle of the ejector and the characteristics of the on-site gas transmission process, puts forward a planned natural gas ejector recovery process flow, and calculates and optimizes the parameters of the ejector in the process. 1) The research shows that the theory of planned blow-off gas ejection recovery is feasible. 2) The designed ejector can work stably under the given working conditions and realize the full recovery of natural gas. 3) Fluent software was used to conduct simulation analysis, and the ejector structure was further optimized. The ejector recovery coefficient increased from 0.42 to 0.63, and the ejector performance was improved by about 50%. 4) The ejector natural gas recovery process is simple, no moving equipment is introduced, the investment is small and the cost of natural gas recovery is low.

Keywords:Ejector Recovery, Ejector Skid, Natural Gas, Jet Effect

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

随着我国天然气长输管道里程不断增加，沿线站场也在不断增长，各类输气站场在运行过程中由于检维修需要，需要局部对某些设备进行隔离放空，据不完全统计一座标准压气站每年天然气放空量约12~20万标方，一座标准分输站每年天然气放空量约1~5万标方。目前国家管网管辖100多座压气站，500多座分输站。每年由于各类计划性检维修放空天然气总量超过3000万标方 [1] [2] 。目前采用传统压缩机抽吸，或者液化等手段回收，由于单次放空量较少，回收经济价值较小，绝大多数都通过冷放空或者点火放空进行处置。因此通过优化高压输气站场工艺，对计划性放空天然气进行全面回收势在必行，不仅可以缓解碳排放和碳中和问题，也可以提高企业经济效益。

2. 引射回收技术方案

2.1. 方案概述

引射回收方案提出基于输气站场有分输调压设施，根据国家管网现有场站现状，目前95%以上的站场均有分输调压设施。根据伯努利方程可知，在流体流经缩小孔径时，随之截面逐渐减小，流体的压力势能降低，动能变大，这时就在吸附腔的进口处产生一个真空度，致使周围另一种流体被吸入引射管管内，可以利用这一原理将计划天然气进行回收 [3] [4] [5] 。本文基于该原理对现有输气站长工艺进行研究，为实现回收天然气的商业价值，可在引射橇上增加流量计，计量后输送给下游城市燃气用户。引射回收框图，见图1，在原输气站调压橇流程上，并入引射撬。说明：引射回收框图中到放空火炬管线不是主放空火炬管线，代表单台设备独立的放空管线，根据GB50183中“6.8.6为确保放空管道畅通，不得在主放空管道上设切断阀或其他截断设施”。

图1. 回收流程方案

2.2. 工作流程

按照1.1节工艺回收方案，需要对现有站场工艺进行简易改造，目前高压输气站场所有生产设备均设置有放空管线，放空管线设置有1道球阀(对应5#阀门)和1道节流截止放空阀或者旋塞阀(对应1#阀门)，将天然气回收管线接至两道阀门之间，不影响原输气工艺。由于本文主要对引射天然气回收理论研究，暂时不对回收后计量进行分析。正常输气工况下，放空流程与正常工作流程开启(1#、5#阀全开)，引射回收流程关闭(2#、3#、4#阀全关)，见图2。

图2. 正常工况流程

计划检修工况下，引射回收流程与正常工作流程开启(2#、3#、4#、5#阀全开)，放空流程关闭(1#全关)，见图3。

图3. 计划检修工况流程

2.3. 引射撬组成

引射橇主要由超声波流量计、引射发生器以及温变，压变等控制系统组成。待回收天然气经过超声波流量计计量后，工作流天然气混合后输送至下游用户，实现商业回收价值。根据现场实际情况，也可使用涡轮流量计，以降低改造成本，引射橇结构框图见图4。本文主要对引射回收理论进行研究，不再对引射器做详细介绍。

图4. 引射橇组成框图

3. 引射器结构设计

表1. 引射橇工作流、引射流和混合流等基础数据信息表

本文设计基础数据以西一线某压气站数据为依据，目前国家管网所辖场站各种设备的放空管线上至少设置有1道球阀 + 1道节流截止放空阀(或者旋塞阀)，由于是计划性放空天然气作业，因此可以通过调节节流截止放空阀控制放空流量和速率，本文只对稳态下引射器工作工况进行模拟。根据引射器的工作原理，只要有差压存在，就可以在次流口产生负压，因此不同工况条件引射器除了在回收速度上有差别外，对计划放空天然气全部回收功能上并无差别，可以通过延长回收时间均能实现计划放空天然气的全部回收，因此不再模拟非稳态工况。工作流体，引射流体及混合流体等基础数据信息见表1。

3.1. 径向尺寸

(一) 喷嘴出口直径

扩张型工作喷嘴的出口面积A_n计算方程 [6] [7] [8] (1)

$d_n=1.12838\sqrt{A_n}$ (1)

$A_n=\frac{G_p}{{\psi }_1}*\sqrt{\frac{1}{2*g*{\rho }_p*P_p}}$ (2)

式中：G_p——工作流体的流量，kg/s；

$\text{Δ}{P}_p$ ——主流与次流压力差，Pa

${\rho }_p$ ——工作流体的密度，kg/m³；

g——重力加速度，m/s²；

A_n——喷嘴口截面积，m²；

d_n——喷嘴出口直径，m；

${\psi }_1$ ——主流通过喷嘴处的流量系数 ${\psi }_1$ ，取推荐值0.95。

计算得到喷嘴直径d_n=13.6 mm。

(二) 混合室直径

混合室截面面积A_t计算方程 [9] [10] (3)

$A_t=\frac{-a+\sqrt{a^2-3.9*b}}{1.95}*A_n$ (3)

$a=-\left[0.975+1.19*\frac{{\rho }_p}{{\rho }_m}*{\left(1+\mu \right)}^2-0.78*\frac{{\rho }_p}{{\rho }_s}*{\mu }^2\right]$ (4)

$b=1.19*\frac{{\rho }_p}{{\rho }_m}*{\left(1+\mu \right)}^2$ (5)

计算得到混合室截面面积 $A_t=3.26\times {10}^{-3}{\text{m}}^2$ (即3260 mm²)。

确定混合室直径d_t：

$d_t=1.12838\sqrt{A_t}$ (5)

计算得到混合室直径为21 mm。

(三) 喷嘴入口直径

工作喷嘴入口截面积d_p计算方程 [10] [11] [12] [13] [14] (7)

$d_p=d_n+2*L_A*\tan \left(\frac{\theta }{2}\right)$ (7)

式中：L_A——喷嘴锥体长度，m；

θ——喷嘴收敛角，推荐取20˚~30˚此值会影响ψ₁的值，试验证明取27˚最佳。

计算得到工作喷嘴入口截面积d_p = 18.2 mm。

(四) 接受室自由流直径

根据数据计算可知引射系数小于0.5，因此可知自由射流直径计算方程 [15] (9)

$\mu =\frac{G_S}{G_p}=0.42<0.5$ (8)

$d=3.4*dn*\sqrt{0.083+0.76*\mu }$ (9)

式中：G_p——工作流流量，kg/s；

G_s——引射流流量，kg/s；

μ——引射系数(工作流和引射流的混合比例)；

ω_c——扩散段流体流出引射器的速度，m/s。

计算得到自由射流直径d = 33.5 mm。

3.2. 纵向尺寸

(一) 喷嘴至混合室长度

当引射系数μ < 0.5时，混合室长度计算方程 [16] [17] (12)：

$L_{C1}=\left[\sqrt{0.083+0.76\cdot \mu }-0.29\right]*\frac{d_n}{0.32}$ (10)

当d > d_t时，有：

$L_{C2}=\frac{d-d_t}{d_i-d}*L_{C1}$ (11)

$L_B=L_{C1}+L_{C2}$ (12)

式中：L_B——喷嘴至混合室长度，m；

L_C1——接受室锥体由d_n变至d的距离，m：

L_C2——接受室锥体由d变至d_t的距离，m；

d_i——锥体起始端直径，m。

计算确定喷嘴距混合室长度L_B的值为100 mm。

(二) 混合室长度

当μ < 0.5时，可知混合室长度计算方程(13)：

$L_C=B*d_t$ (13)

式中：L_C——混合室长度，m；

B——长度与直径比，荐值2~4，对于容易混合的介质，取小值，本文取2.2。

计算得到混合室长度为220 mm。

4. 射流流场模拟与引射器结构优化

4.1. 射流流场模型

对高压输气站放空天然气回收引射器作为模拟研究对象，并以输气站相应的实际运行参数作为建模依据的基础参数。构建二维轴对称几何条件下的射流流场模拟模型。

4.2. 模拟结果及分析

4.2.1. 模拟条件

以输气站计划检维修放空生产参数作为模拟工作条件，即工作流体压力P_p = 7.15 MPa，引射流体压力P_s = 1 MPa，混合流体压力P_M = 3 MPa，工作流体总温300 K，并根据天然气基础组分，将其组分信息导入模拟软件中，并假定为理想气体。由此，通过构建的引射器模型研究高压输气站放空天然气回收的流场状态和引射效果，天然气物性参数如表2。

表2. 天然气物性参数

4.2.2. 工作流态分析

为验证引射器计算参数的合理性，在flunt软件中输入天然气物性参数，通过运算可以得到引射系数变化趋势，见图5，引射器速度云图，见图6。

图5. 引射系数模拟值变化

图6. 引射器速度云图

从图5可知随着引射气体流量趋于稳定，引射系数也趋于稳定，表明了该引射器能够在设定工况条件下正常工作，引射器的引射系数则表征了该引射器的引射回收能力。从速度云图6，可以直观反映了高压工作流体与低压引射回收流体在引射器中发生了充分的能量和动量交换，在混合室与扩压室之间有段剧烈紊动，这表明可以通过优化引射结构，进而一定程度提升引射回收效率。

4.3. 引射系数影响分析

4.3.1. 工作喷嘴结构对引射系数的影响

(一) 喷嘴距对引射系数的影响

喷嘴距指喷嘴扩压段出口到等直径混合室进口处的距离。在模拟仿真中，围绕理论设计值4.7 mm，分别调整喷嘴距为1.7 mm、2.7 mm、3.7 mm、4.7 mm、5.7 mm、6.7 mm、7.7 mm变化，观察对提高引射系数的影响，见图7。

图7. 喷嘴距与引射系数关系图

由图7可以看出，通过改变喷嘴距参数对提高引射系数的影响收效甚微，当不断增大喷嘴距时引射系数有下降趋势，因此在结构优化中不予考虑调整喷嘴距参数。

(二) 喉部直径对引射系数的影响

在模拟仿真中，围绕理论设计喷嘴出口直径13.6 mm、喉部直径10 mm，分别调整喉部直径为4、6、8、10、12、14、16 mm变化，观察对提高引射系数的影响，见图8。

图8. 喉部直径与引射系数关系图

从图8可以看出喷嘴出口面积与喉部面积比值对引射器结构设计和性能好坏有着直接影响，随着喉部直径增加，引射系数逐渐降低，在喉部直径为6 mm时，引射系数最大。因此构建当喉部直径为6 mm时的引射系数模拟值变化，见图9。

图9. 喉部直径为6 mm时引射系数模拟值变化

从图9可以得出，在模拟工作条件下，射流流体流速趋于稳定后的引射器的引射系数值为0.63，相较原引射系数提高约50%，在该工况下引射器可以稳定工作。

4.3.2. 混合室结构对引射性能的影响

(一) 混合室面积对引射性能的影响

通过使用混合室与喉部面积比值作为变量进行定量分析引射器内部流场的影响，见图10。在模拟仿真中，围绕理论设计混合室直径值18 mm、喉部直径值10 mm，分别调整混合室直径为9、12、15、18、21、24、27 mm，观察对提高引射系数的影响。

图10. 混合室直径与引射系数关系图

从图10可以得出引射器的混合室直径为21 mm时，引射系数达到最大值，为进一步验证其稳定性，构建当混合室直径为21 mm时的引射系数模拟值变化，见图11。

从图11可以得出，在模拟工作条件下，射流流体流速趋于稳定后的引射器的引射系数值为0.61，相较原引射系数提高约45.2%，在该工况下引射器可以稳定工作。

(二) 混合室长度对引射性能的影响

在模拟仿真中，围绕理论设计混合室长度90 mm、喉部长度10 mm (混合室与喉部长度比值为9)，分别调整混合室长度为60、70、80、90、100、110、120 mm变化，观察对提高引射系数的影响，见图12。

图11. 混合室直径为21 mm时引射系数模拟值变化

图12. 混合室长度与引射系数关系图

从图12可以看出，在不断增加混合室长度时，引射系数逐渐增加，当混合室长度大于100 mm时，引射系数趋于稳定，考虑到结构设计合理性以及节约费用等因素，选择将混合室长度优化为100 mm。构建混合室长度为100 mm引射系数模拟值变化趋势，见图13。

图13. 混合室长度为100 mm时引射系数模拟值变化

从图13可以得出，在模拟工作条件下，射流流体流速趋于稳定后的引射器的引射系数值为0.63，相较原引射系数提高约50%，在该工况下引射器可以稳定工作。

4.3.3. 扩压室结构对引射系数的影响

(一) 扩压室长度对引射系数的影响

扩压室处于混合流体的出口位置，在扩压室中混合流体达到合理背压后输出。在模拟仿真中，围绕理论设计扩压室长度220 mm、喉部长度10 mm，分别调整扩压室长度为190、200、210、220、230、240、250 mm变化，观察对提高引射系数的影响，见图14。

图14. 扩压室长度与引射系数关系图

从图14可以得出，通过扩压室长度对引射器性能的影响极小，因此在结构优化中不予考虑调整设计值。

(二) 扩压室直径对引射系数的影响

在模拟仿真中，围绕理论设计值扩压室出口直径33.5 mm、喉部直径10 mm，分别调整扩压室出口直径为18.5、23.5、28.5、33.5、38.5、43.5、48.5 mm变化，观察对提高引射系数的影响，见图15。

图15. 扩压室直径与引射系数关系图

从图15可以得出，扩压室直径变化对引射系数的影响较小，在变化范围内引射系数的变化可近视认为趋于稳定值。因此，在结构优化中保持设计理论值不变。

4.4. 引射器几何尺寸优化结果

根据3.3节计算分析结果可知，喉部直径，混合室直径和混合室长度三个关键参数对引射器的引射系数影响较大，分别将引射系数提升了50%，45.2%和50%，优化后的引射系数值从0.42增长到了0.63，具体优化后数据见表3。

表3. 引射器结构优化尺寸

5. 结论

(一) 本文通过对现有高压输气站场工艺流程分析，提出了一种引射天然气回收工艺流程，该流程便于改造实施，对站内原有流程影响较小，也适用于新建有调压设备的输气站场，可以实现计划性放空天然气的全部回收。

(二) 引射天然气回收工艺不需要外加压缩机等动设备，通过一组阀门的开关组合即可实现计划放空天然回收，经济高效。

(三) 本文对引射器机构进行了理论设计，并通过数值模拟对引射器的喉部直径，混合室直径和混合室长度三个关键参数进行了优化，优化后的引射回收系数值从0.42提高到0.63，工作性能提高了50%。

(四) 本文提出的引射回收计划放空天然气工艺，以及引射器的计算数据可以为高压输气站场计划放空天然气回收提供参考，具有一定指导价值。

文章引用

张兵强. 高压输气站计划性放空天然气引射回收理论研究
Theoretical Research on Planned Blow-off Natural Gas Ejection Recovery in High Pressure Gas Transmission Station[J]. 石油天然气学报, 2023, 45(03): 230-242. https://doi.org/10.12677/JOGT.2023.453029

参考文献