本文研究气液两相流在节流嘴处的流动规律,利用Fluent计算流体动力学软件,对节流嘴附近的流体流动状况进行数值模拟。分析结果表明,流体的压力、温度在节流嘴入口处急剧减小,再经过能量衰减逐渐达到平衡,总的变化趋势是减小的,为现场预防水合物的生成提供参考依据。 In this paper, a simplified physical model at the throttle choke is established based on the Fluent Software. The flow properties of gas-liquid two-phase flow at the throttle nozzle are studied. As a result, the pressure and the temperature at the entrance of the throttle nozzle decrease sharply and then achieve a balance through the energy attenuation. The total variation trend is reduced. It provides a theoretical foundation to prevent the hydrate formation.
刘德生
中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京
收稿日期:2015年7月14日;录用日期:2016年1月26日;发布日期:2016年1月29日
本文研究气液两相流在节流嘴处的流动规律,利用Fluent计算流体动力学软件,对节流嘴附近的流体流动状况进行数值模拟。分析结果表明,流体的压力、温度在节流嘴入口处急剧减小,再经过能量衰减逐渐达到平衡,总的变化趋势是减小的,为现场预防水合物的生成提供参考依据。
关键词 :气液两相流,节流,CFD模拟,水合物
水合物的生成问题是油气生产中一个十分重要的工程问题。产出混合液在井筒和地面管线中节流流动时,其压力、温度会发生突变,压力、温度的变化是导致水合物生成的重要原因。生产过程中水合物的形成给油井生产带来严重的危害,而且给油井的科学管理也带来许多困难。研究产出混合液在节流嘴处的流动规律,对于指导生产有重要的实际意义。
对于气液两相节流模型,Ashford和sachdeva等分别提出了相应的数学模型,这些模型主要针对气井的气嘴节流问题[
含伴生气油井的产出物包括从分离器分离出的原油和溶解气,忽略溶解气逃逸。由于大多数油井的气体含量很低,可以把溶解气折算成油相作为总量的一部分,称为复合流体。因此须对流量、相对密度等参数作相应的修正。
1) 复合流体流量的修正
式中:
式中:
2) 复合流体相对密度
式中:
由于这类油井的气液两相混合较为均匀,可视为均匀的单相流,在两相流动过程中,微小气泡悬浮于油相中,油相是气泡的载体,油相是连续相,气泡是分散相。油气水三相间无相对运动,即无滑脱现象。
在气液两相节流稳定流动能量方程中,主要包含复合流体–水混合物的密度和速度两个参数,只要确定出这两个参数,问题就得到解决。
1) 复合流体–水混合物的密度
根据两相流密度计算公式:
式中:
气液两相间的相对速度可视为零,持液率可用无滑脱持液率计算。
式中:
将式(5)代人式(4)得复合流体–水混合物的密度:
式中:
2) 复合流体–水混合物的速度
同理可得复合流体–水混合物的速度:
气液两相节流预测模型可以根据流体稳定流动能量方程推导出来。流体混合物流过节流嘴等节流元件时可以假设:忽略位能,且不对外做功,摩阻能损耗在总能量消耗的结构中很小,可以忽略不计,流体流动中各相速度相同。气液两相流体节流过程的稳定流动能量方程为:
式(9)在任何状态下都成立。前面已确定出产水凝析气井的
式中:
利用现在国际上比较流行的CFD软件——Fluent软件对所研究的节流嘴进行数值模拟分析。
在节流嘴的研究中,将节流嘴及其两端管道的几何形状简化为二维轴对称圆柱形,流动状态按可压缩理想气体紊流流动状态进行研究,通过数值求解二维Navier-Stokes方程得出节流嘴的流场数值模拟分析结果。
对于安装在石油管道、节流管汇上的节流嘴而言,根据其结构形式,分为固定式和可调式两种形式。对问题进行简化,在这里采用的是结构形式最简单的固定式节流嘴进行分析的,如图1所示(剖面图)。
如图1所示的剖面图,该固定式节流阀是一个二维圆形直管段,它由三段组成,其D = 60 mm,d = 5.0 mm,比值d/D = 0.08。沿着流动方向,L1 = 100 mm,L2 = 40 mm,L3 = 200 mm。网格划分是结构性网格与非结构性网格组成。
根据相关的物理模型和参数进行模拟分析。对节流过程进行了数值模拟,并得到很好收敛效果。得到了流体的流速、压力、温度在节流过程中的二维变化情况,具体见以下分析。
速度的变化情况如图2、图3所示,从图中可以看出,速度总的变化趋势是在节流嘴入口处,截面积急剧减小,流速急剧增大。在节流嘴出口处,由于出口处压强大于反压,因此,流体要继续膨胀,速度会进一步增大,然后经过一系列的膨胀、压缩,再膨胀、再压缩的周期性变化过程,能量逐渐衰减,最后与周围流体相混合达到平衡。
图1. 节流嘴流道示意图
图2. 速度矢量图
压力的变化情况如图4、图5所示,从图中可以看出,经过节流嘴后压力降低了34 MPa。在节流嘴入口处,截面积急剧减小,此时流体压力也急剧减小。在节流嘴出口处,由于出口压力大于反压,因此
图3. 轴线上速度分布图
图4. 轴线上压力分布图
图5. 等压力线图
图6. 轴线上静态温度曲线图
流体继续膨胀,压力也不断下降,在经过不断衰减的激波系的作用下,流体压力也逐渐衰减到与反压相等。
压力的变化情况见图6,从图中可以看出,经过节流嘴后温度降低了24.5℃。当流体进入节流嘴时,截面积急剧减小,此时温度也急剧减小,当流体流出节流嘴时,在逐渐衰减的膨胀波与压缩波波系的作用下,流体的动能逐渐转变为热能,流体温度总的变化趋势是逐渐降低的。
根据相关的物理模型和参数进行模拟分析。对节流过程进行了数值模拟,得到了流体的流速、压力、温度在节流过程中的二维变化情况:
1) 速度总的变化趋势是在节流嘴入口处,截面积急剧减小,流速急剧增大。再经过一系列的膨胀、压缩,再膨胀、再压缩的周期性变化过程,能量逐渐衰减,最后与周围流体相混合达到平衡。
2) 压力总的变化趋势是在节流嘴入口处急剧减小,在节流嘴出口处,压力不断下降,再经过不断衰减的激波系的作用下,流体压力也逐渐衰减到与反压相等。
3) 流体温度总的变化趋势是逐渐降低的。
刘德生. 气液两相节流数值模拟Numerical Simulation of Gas-Liquid Two-Phase Flow in Throttling Process[J]. 矿山工程, 2016, 04(01): 24-29. http://dx.doi.org/10.12677/ME.2016.41005