氣體膨脹比對引射器內(nèi)流場影響的研究

引言

引射器可以將高壓氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為動能,并在其內(nèi)部形成低壓區(qū),從而使引射口流體流入引射器內(nèi)部,從引射口流入的流體與從高壓口進(jìn)入的流體形成混合流體,混合流體在經(jīng)過引射器的穩(wěn)流段和回壓段后壓力逐漸恢復(fù),使混合流體能夠平穩(wěn)流出。引射器結(jié)構(gòu)簡單,使用維護(hù)方便,目前已廣泛應(yīng)用于油氣田開采、新能源等領(lǐng)域,研究不同參數(shù)對引射器工作性能的影響,可以優(yōu)化引射器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),為引射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

國內(nèi)外學(xué)者對于引射器的理論研究最早可以追溯到1870年[1],隨著引射器得到越來越廣泛的應(yīng)用,其理論、實(shí)驗(yàn)研究均逐漸增多。2016年,王春強(qiáng)等人[2]公布了將引射器應(yīng)用在崖城13—1氣田進(jìn)行低效井增壓的成效,實(shí)踐證明,引射器的應(yīng)用可以大大提高天然氣的產(chǎn)量。2022年,張文輝等人[3]采用RNG K—ε模型計(jì)算了引射器內(nèi)部的黏性熵產(chǎn)、湍流熵產(chǎn)、有限溫差傳熱熵產(chǎn)及壁面熵產(chǎn)。2023年,吳奇霖等人[4]對不同工況下天然氣引射器的內(nèi)部流場開展分析,探究流場特性和有效工作區(qū)間,并通過現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬方法進(jìn)行了驗(yàn)證。同年,么大鎖等人[5]以額定工況下氫燃料電池引射器為研究對象,提出一種基于橢球基(EBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和非線性序列二次規(guī)劃(NLPQL)算法的引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法。

影響引射器工作性能的參數(shù)有很多,氣體膨脹比就是最為關(guān)鍵的因素之一[6],對于天然氣井所用的引射器,隨著天然氣開采過程中井口壓力的逐漸降低,氣體膨脹比通常是變化的,因此,為了使引射器能夠適應(yīng)更大范圍的氣體膨脹比波動,研究氣體膨脹比對引射器內(nèi)流場、流體參數(shù)的影響是十分必要的。本文基于計(jì)算流體力學(xué)理論建立引射器的三維流場計(jì)算模型,對不同膨脹比工況下的引射器內(nèi)流場進(jìn)行分析,為引射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。

1計(jì)算模型

1.1幾何模型

引射器二維物理模型如圖1所示,包含噴嘴段、混合室及擴(kuò)張室,高壓工作流體經(jīng)噴嘴段加速,在混合室內(nèi)形成低壓區(qū),使引射流體流入,引射流體及工作流體在混合室混合后經(jīng)擴(kuò)張室回壓,并流出引射器。

三維計(jì)算模型如圖2所示,工作流體入口及引射流體入口均設(shè)置為壓力—入口邊界(pressure—inlet),混合流體出口設(shè)置為壓力—出口邊界條件(pressure—outlet),其余邊界設(shè)置為壁面邊界(wall),噴嘴喉口直徑26mm,噴嘴出口直徑40 mm。

1.2數(shù)值模型

對引射器內(nèi)部流場、流體參數(shù)的求解可由動量方程實(shí)現(xiàn):

2計(jì)算結(jié)果

引射器氣體膨脹比即工作流體壓力與引射流體壓力之比,表1為不同工況下引射器的氣體膨脹比,假設(shè)引射流體壓力不變,隨著工作氣體的釋放,進(jìn)口壓力逐漸降低,導(dǎo)致工作流體壓力下降,基于此,研究不同氣體膨脹比對引射器工作性能的影響。

圖3為不同工況下引射器內(nèi)的速度云圖。

從圖中可以看出,氣體在經(jīng)過噴嘴后,其流速迅速增加,膨脹比越大,離開噴嘴后氣體的流速越大,圖3(a)~(e)五種工況下的噴嘴出口氣體流速分別為766、745、739、722、697 m/s,由于在噴嘴出口氣體流速迅速增加,混合室內(nèi)形成低壓區(qū),引射流體被吸入,與工作流體混合后流入擴(kuò)張室,擴(kuò)張室內(nèi)的氣體流速逐漸降低,壓力逐漸升高,因此流過擴(kuò)張室的氣體仍保持著一定的輸送壓力,使氣體向后管道輸送。圖3(a)~(e)五種工況下的引射器末端出口氣體流速分別為155、143、137、126、119 m/s,出口壓力分別為8 379、7 051、6 526、5 227、4 827 pa。

圖4為膨脹比對引射氣體總量的影響,從圖中可以看出,引射器氣體膨脹比越大,引射器的引射能力越強(qiáng),氣體膨脹比為4時(shí)引射氣體流量為26 302 m3/d,氣體膨脹比為5.33時(shí)引射氣體流量為26 604 m3/d,氣體膨脹比為6.66時(shí)引射氣體流量為26 812 m3/d,氣體膨脹比在4~6.66間引射氣體流量增長率約為2%,氣體膨脹比為8時(shí)引射氣體流量為27 398 m3/d,氣體膨脹比為9.33時(shí)引射氣體流量為28 049 m3/d,氣體膨脹比在6.66~9.33間引射氣體流量增長率約為5%。

3結(jié)論

1)氣體經(jīng)過引射器噴嘴后,流速迅速增加,氣體膨脹比越大,離開噴嘴的流體速度越大,氣體膨脹比從8降至4,噴嘴處的最大流速下降了6%;擴(kuò)張室內(nèi)的氣體流速逐漸降低,壓力逐漸升高,氣體膨脹比越大,擴(kuò)張室出口氣體壓力越大,氣體膨脹比從8降至4,擴(kuò)張室出口壓力下降了32%。

2)氣體膨脹比越大,引射器的引射能力越強(qiáng),氣體膨脹比為4時(shí)引射氣體流量為26 302 m3/d,氣體膨脹比為8時(shí)引射氣體流量為27 398 m3/d,氣體膨脹比增加100%,每日引射氣體總量增加4%,氣體膨脹比在4~6.66間引射氣體流量增長率約為2%,氣體膨脹比在6.66~9.33間引射氣體流量增長率約為5%。