排液阀开度对分离器分离效率影响分析

赵学俭

（中国石化胜利油田分公司油气集输总厂，山东 东营 257100）

1 引言

往复式压缩机是油田生产中提高压力和输送介质的动力源，应用十分广泛。油气集输总厂东营厂压气站承担着胜利油田石油伴生气净化处理的主要任务，其浅冷工艺系统的主要设备DPC2804机组，为低速、整体燃气驱动往复式天然气压缩机组，该压缩机组主要由4个动力缸、3个压缩缸、传动部件、密封组件、驱动部件，以及润滑系统、冷却系统和管路系统等组成。

在压缩机组的运行过程中，需设置级间分离器将凝析液及时排放。凝析液主要来源有2个途径：一是在油气开采过程中，由井底携带的液体；二是在伴生气输送过程中，由于输送管道内压力、温度等状态参数发生变化，使得介质发生相变，造成气体向液体的转化，产生液体。排液阀作为级间分离器重要组成部件，影响着其分离效率。若级间分离器分离效率较低，凝析液则会进入后续管线，影响整个工艺过程；若分离速度过快，则可能发生天然气随凝析液排出的现象，造成生产安全隐患。因此研究排液阀开度对分离器分离效率的影响非常有必要。

2 分离器排液阀流场数值模拟

2．1 分离器排液阀流域模型

分离器排液系统流场数值模拟主要为模拟随着分离器液位的高低，自动排液阀开启与关闭进行液位控制过程中分离器内流场分布，分离器排液系统流域模型如图1所示。该流域模型主要由分离器本体及排液阀组成，其中排液阀内设有阀片，通过移动阀片实现排液阀开度的变化。

图1 分离器排液阀流域模型

2．2 数值计算方法与边界条件

入口边界条件设置为压力入口，出口边界条件设置为压力出口，考虑重力场的影响。湍流定义方法选择湍流强度百分比和水利直径。求解器选择基于压力求解器，3D双精度，稳态流动，速度为绝对速度。采用k-ɛ二方程湍流模型；近壁面采用标准壁面函数；压力与速度耦合采用SIMPLE算法，压力离散格式采用Body Force Weighted格式，其它采用二阶迎风格Second Order Upwind格式，松弛因子保持默认设置，计算残差为10-6，初始化并求解至收敛。

3 模拟结果与分析

采用计算流体力学软件Fluent对分离器排液系统流场进行模拟。气动排液阀内阀芯与阀座之间的通流面积决定着整个排液系统的排液速度，因此对排液阀在4种不同开度工况下进行数值模拟，研究其流场分布。进口压力为0.204MPa、出口压力为0.18MPa、气动排液阀出口压力为0.1MPa。开度分别为1、0.75、0.5、0.25。

图2、3、4分别给出了不同开度下气动排液阀局部压力分布云图、速度分布云图及流线图。由图2可知，在相同的进出口压力下，阀片内侧中间部分压力最高，并逐渐向四周减少，并在弯头的内侧形成了低压区；随着排液阀开度的减小，阀片外侧的压力逐渐减小，阀片两侧的压差逐渐增大，阻碍了排液过程的进行。由图3可知，随着排液阀开度的减小，排液阀内的速度逐渐降低且阀片外侧的低速区域逐渐增大；弯头后部分的外侧速度较大，内侧存在旋涡。由图4可知，不同开度下排液阀内的流线分布大致相同，但随着开度的减小，在阀片的外侧流线逐渐紊乱复杂，这增大了排液阀的局部阻力。

图2 不同开度下排液阀压力云图

图3 不同开度下的放泄阀速度云图

图4 不同开度下排液阀流线图

表1给出了不同开度下排液阀出口流量变化情况，随着排液阀开度的减小，排液阀出口流量非线性降低且开度越小降低越快；开度为0.25时，在进口压力的作用下流量仍为14.41kg/s，这表明若有固体杂质阻碍排液阀关闭时，即使此时的开度较小，但在较高的进口压力作用下液体仍会大量排出，导致积液排空，产生天然气泄漏现象。

表1 不同开度下排液阀出口流量

4 结语

本文基于CFD方法对分离器排液阀内流场分布进行了数值模拟，研究了排液阀开度对分离器分离效率的影响。给出了不同开度下排液阀内压力分布、速度云图和流线图以及不同开度下排液阀出口流量变化情况。结果表明：一是阀片中间压力最高，在弯头内侧形成低压区；随着开度的减小，排液阀两侧压差逐渐增大，阻碍了排液过程的进行。二是随着排液阀开度的减小，排液阀内的速度逐渐降低且阀片外侧的低速区域逐渐增大，并且流线逐渐紊乱形成局部的旋涡。三是出口流量随着开度的减小非线性降低，但在高压的作用下，即使较小的开度也会有较高的流量。