往复式油气混输泵出口单向锥阀角度分析.pdf

2 0 1 3年 第 6期 第 4 2卷 第 6 4页 石油矿 0l L FI ELD 场 机械 E QUI P MENT 2 O 1 3 ， 4 2 6 6 4 ～ 6 7 文 章 编 号 1 O 01 - 3 48 2 2 01 3 0 6 00 6 4 0 4 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 3 1 0 0 1 4 ； 2 ． 杭州市特种设备检测院 ， 杭州 3 1 0 0 0 3 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 C F D 方法对 阀的 内部 流 场进行 数 值 求 解 ， 并利 用 F l u e n t 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 9 O 。 会 有较 佳 的效果 。 关键词 油 气混 输 泵 ； 单 向锥 阀 ； C F D； 流 动特 性 中图分 类 号 TE 9 3 3 ． 3 0 2 文献 标识 码 A An a l y s i s o f Va l v e Co r e Ang l e f o r On e wa y Po p p e t Va l v e i n Re c i pr O c a t i ng Oi l g a s M u l t i p h a s e Pu m p Ou t l e t ZH ANG S he ng c ha n g ， W ANG Zha o d o ng ， DENG H on g y i ng ， MA Yi ， YANG Li n ， Z HANG Hu a j u n 1 ． I n s t i t u t e o f I n d u s t r i a l Pu mp， Zh e j i a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a； 2 ．Hangz ho u Spe c i al Eq ui pme nt I ns pe c t i on I ns t i t u t e， Han gz ho u 3 l 00 03。 Chi n a Ab s t r a c t To s t ud y t he i nf l u e n c e of v a l v e c or e a ng l e o n mul t i p ha s e f l o w pr o pe r t i e s o f o ne wa y p o p pe t va l ve i n r e c i p r oc a t i n g o i l g a s m u l t i p ha s e pu m p o ut l e t ，t he Co m p ut a t i o na l Fl u i d Dy na mi c s me t h od i S a do pt e d t o s i m u l a t e a n d a na l y z e t he i nt e r n a 1 f l o w f i e l d．The s i m u l a t i o ns o f d i f f e r e n t v a l v e c or e a ng l e s a r e c a r r i e d o ut a t di f f e r e n t g a s l i q ui d r a t i os d e p e n di n g o n s of t wa r e Fl ue nt ． Th e r e l a t i on s h i ps be t we e n v a l v e c o r e a ngl e a nd d i s c ha r g e c o e f f i c i e n t ， s t e a d y s t a t e f l o w po we r ， ph a s e d i s t r i b ut i on a r e o bt a i ne d． Th e r e s ul t s s ho w t ha t i n t he s a m e va l v e c o r e a ngl e ， g a s l i q ui d r a t i o i n f l ue nc e o n d i s c ha r g e c o e f f i c i e nt c a n b e i g no r e d ．And c on s i d e r i n g t h e i mpa c t of v a r i ou s a s p e c t s o f t he f l o w pr o pe r t i e s， v a l v e c or e a ng l e t a k e 9 0 。wi l l h a v e b e t t e r e f f e c t ． Ke y wo r d s o i l g a s m u l t i p ha s e pump； o ne wa y po p pe t v a l v e； CFD； f l o w pr o pe r t y 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 C F D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 1 ． 1单 向锥 阀结构 往 复式油气混输 泵的单 向锥阀主要 由进 V I 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一4 0 mm， 出 口流 道 B一8 mm， 阀芯锥 角为 一 般常用设计范围 9 0 。 ～1 2 0 。 ， 阀口开度为 h 最大允 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 2 2 8 作者简介 张生昌 1 9 5 6 ， 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 ， z s c 6 6 6 z j u t ． e d u ． c n 。 第 4 2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 5 mm 。 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 1 ． 2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 1 ／ 2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 Ga mb i t 进行六面体 网格划分 。排 出阀V I 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 F l u e n t 软件进行 C F D解析 。 局部加 密 速度人 【 J 图 2 单向锥阀流道三维 网格划分 1 ． 3 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一3 mm， 阀 芯锥 角从 9 0 。 以 5 。 为梯度变化到 1 2 0 。 下的 7组模型 ， 然 后在 C F D 解 析 过 程 对 气 液 比 分 别 为 0 ， 0 ． 2 ， 0 ． 4 ， 0 ． 6 ， 0 ． 8 ， 1 ． 0 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 Mi x t u r e 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 S I MP L E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 2 0 ℃ 介质 k 密度 g ．m ／ , 动力 ／ P a 粘度 s ． ／／ 1 1 速 * S 譬 。 2 数值模 拟结果及分析 2 ． 1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 F 1 处 的压 力 来 计 算 流 量 系 数 。计 算 式 为l J 一A ， 2 △P ／ p 式 中 C 为 阀 口流 量 系 数 ； Q 勾体 积 流 量 ； A p为 阀 进 出 口压差 ； A 为 阀隙过 流 面积 。 一 丌 d h 1 一 S in 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 p l 1 fo a P Q Q 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 9 0 。 变 化 到 1 2 0 。 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 。 0． 9 0 ． 8 纂 0 7 媛 0 ． 6 0 ． 5 0 ． 4 ● 一 9 0 。 l O 5 。 9 5 。 Il 一 l 1 0 。 1 卜d l O O ● ． _ 一 l 1 5 。 _ - 1．．广 _ ． r 一 _ 雪 I - ⋯ ● ⋯ 二 - O 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 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 2 O 1 3 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 9 0 。 较 为合 适 。 2 ． 2 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fD Q 2 C O S 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 Qc A , ／ Z p ／ p 整理 得稳 态液 动力 F 一C a A ／ 2 p z X p 7 3 2 C O S 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 一3 I Y l m 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 。 3 5 3 0 童 2 5 2 0 1 5 1 O 5 0 ◆一 0■一J3 O ． 2■一 ／3 0．4 8 5 90 95 1 00 l O 5 l l 0 l l 5 l 2 0 1 2 5 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 。 2 ． 3 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 一0 ． 2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 一3 1 “1 “1 1 “1 2 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 9 0 。 、 1 0 5 。 、 1 2 0 。 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 、 a 6 4 2 0日6 4 2 侣 惶仲∞∞ 蛇 0 0 0 O O 0 0 o O 囝 2 0 1 3年 第 4 2 卷 第 6期第 6 7页 石 油矿 0 I L FI ELD 场 机 械 EQUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 3 0 6 0 0 6 7 - 0 3 L T J S l 0 0 T Q6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 7 3 6 2 0 2 ； 2 ． 甘肃蓝科石化 高新装 备股份有限公司 ， 兰州 7 3 0 0 7 0 摘要 L T J 5 1 0 0 T Q6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1 3 ． 7万 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 TE 9 3 5 文 献标 识码 B T y p e L T J 5 1 0 0 TQ6 S t e a m P a r a f f i n Ve h i c l e Re t r o f i t An a l y s i s YANG Ch e n g ， REN S u c h a o ， NI U W e n l u 。 ， J I NG Li 。 ， NI U Ya n ， ZHANG Ya l i ， ZHONG M i n g 1 ． Qi n gh a i Oi l fi e l d Br a n c h Co mp a n y， CNPC， Du n h u a n g， 7 3 6 2 0 2 ， C h i n a； 2． Lan pe c Te c h no l o gi e s Li mi t e d ， Lanz ho u 7 3 00 70， Chi n a Ab s t r a c t Th e d i e s e l i s u s e d 3 S f u e l f o r t h e b o i l e r o f t y p e LTJ 5 1 0 0 TQ6 s t e a m p a r a f f i n v e h i c l e ， wh i c h r e s u l t s i n h i g h o p e r a t i o n c o s t a n d e n v i r o n me n t p o l l u t i o n b y e x h a u s t e mi s s i o n ． Qi n g h a i Oi l f i e l d r e t r of i t s t he ve h i c l e by de s i g ni n g na t ur a l g a s f ue l e d c o m b us t o r， a i r s up pl y s y s t e m a n d c o nt r o l s y s t e m ． The r e t r of i t t e d s t e a m p a r a f f i n v e h i c l e i s t e s t e d， wi t h p e r f o r ma nc e p a r a nl et e r s me e t i ng pr o d uc t i o n r e q ui r e m e nt s ， whi c h c a n r e d uc e t h e f u e l c os t b y RM B1 3 7， 0 0 0 a n nu a l l y， d ou bl e d t he o pe r a t i on e f f i c i e nc y a nd d e c r e a s e t h e e xha us t e m i s s i on ． Ke y wo r d s s t e a m pa r a f f i n v e hi c l e； n a t ur a l g a s c o mbus t i on d e v i c e； r e f o r m ； f u e l de v i c e 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 9 O 。 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 ， 2 0 0 3 ． E 2 ] 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 ， 2 0 0 0 ， 1 4 5 8 3 8 7 ． [ 3 3 于 勇 ， 张 俊 明 ， 姜连 田． F L UE N T 入 门与进 阶教 程 [ M] ． 北 京 北京理工大学 出版社 ， 2 0 0 8 2 2 8 2 3 3 ． 杨 国安 ， 黄聪 ， 于丽． 基于 F L UE N T的钻井泵 阀隙 流场仿真计算 _ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 3 4 1 4 4 ． 张生 昌， 张 玉林 ， 方 志 明． 新型转 子式 油气混输 泵 出 口 球阀运动规律 分析 E J ] ． 石 油矿 场机 械 ， 2 0 1 2 ， 4 1 1 0 2 O 一 2 3． 李辉 ， 柯坚 ， 刘晓红． 基于 C F D的液压锥 阀结 构特 性分析[ J 2 ． 流体机械 ， 2 0 0 9 ， 3 7 9 3 3 3 6 ． 车得福 ， 李会雄． 多相流及其应用[ M] ． 西安 西安交 通 大学出版社 ， 2 0 0 7 ． 郑 淑娟 ， 权龙． 基 于 C F D的液压 锥 阀阀芯启 闭过 程 的液 动力分析[ J ] ． 机电产 品开发与创新 ， 2 0 0 7 ， 2 O 2 8l _ 82 ． 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 2 3 0 作者简介 杨成 1 9 9 8 一 ， 男 ， 江苏如皋人 ， 工程师 ， 1 9 9 8年毕业于中国石油大学 华东 ， 从事井下技术 服务及设 备管理工 作 ， E ma i l y a n g c h q x p e t r o c h i n a ． c o rn． c n 。 ] ] ] ] ] _卜