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174科技创业家TECHNOLOGICALPIONEERS工业技术科技创业家2011NO.08TECHNOLOGICALPIONEERS前言球阀流体阻力小、紧密可靠、结构简单等优点,已广泛应用于石油化工、原子能、航空、火箭等各部门,以及人们生活中。流量特性是阀门的主要特征,是阀门设计和应用的重要因素。阀门流量特性最重要的参数是流量系数,也是表征阀门调节能力的重要参数。可以知道球阀流量与压降关系可以下式表示:PCAQx2式中:C——流量系数;——流体密度;xA——流道截面积;P——进出口压差;由上式知,在流体密度确定的情况下,流量系数C和流道截面积xA决定流量Q和压差P的关系,C是非常复杂的量与流道的几何形状、流体的流动状态等有关,其确球阀流量系数简化模型及数值模拟分析马晶1于喜欢2(1.吉林市燃气热力设计研究院有限公司吉林吉林132000;2.吉林石油化工设计研究院吉林长春130000)摘要:本文首先从传统的流量系数计算公式计算繁杂、准确度较小等问题出发,引入了流体流速系数和收缩系数的概念,根据球阀结构的具体情况计算出到流道截面积,推导出相应的流速系数计算公式。依照球阀结构建立相应的数值模拟模型进行流量系数的模拟计算,然后与推导出的计算公式进行对比,结果表明推导出的公式能够正确反映流量系数的变化特性,说明流量系数简化公式能够用于球阀流量系数的计算。关键词:球阀流量系数球阀结构数值模拟流速系数定多依赖实验方法,现在还没有简便、准确的流量系数理论计算公式,而传统流量系数计算步骤多,计算公式繁杂,经验公式准确度未知等。这些都带来球阀的设计和应用方面的极大不便,所以建立流量系数计算简化模型是比较有意义的。1流量系数的确定流体从阀口流出时的阻力损失和流道截面积的变化对流量的影响可由流量系数的大小表征C(1),流速系数为11(2),其中:——流体流速系数;——收缩系数;——局部阻力系数。对于图1的情况,得:215.05.0xAA(3)式中:A——入口截面积;xA——流道截面积。2流速系数计算公式的推导球阀结构的环形缝隙入口流道截面积可视为一个圆台的侧面积,由圆台侧面积公式:21rrLAx(4)式中:L——圆台母线;1r——圆台上底半径;2r——圆台下底半径。由公式(4)及参照图1计算得到流道截面积xA:222222222hdhdrrdhdAx(5)把xA代入(3)式,再由(2)式推出流速系数计算公式:22222222hdrdhd(6)其中:42dA;xhh0;2202drh上式中:d——阀座孔直径;x——钢球升高量;r——钢球半径;0h——钢球与入口A点完全接触时,圆心到入口A点的距离。dx/20.10.20.30.40.50.60.70.6150.6200.6250.6300.6450.6600.690dx/20.10.20.30.40.50.60.7x(m)0.001250.00250.003250.0050.006250.00750.00875C10.4010.4530.4620.5090.5200.5370.555C20.3900.4390.4560.4760.4940.5110.538表2不同钢球升高量x的流量系数表1对应收缩系数μ值图1球阀结构图2流量系数模拟值与计算值对比曲线(下转176页)176科技创业家TECHNOLOGICALPIONEERS工业技术科技创业家2011NO.08TECHNOLOGICALPIONEERS投产以来曾发生三次烧胶问题,造成这种现象一方面是厂家制造质量问题。另一方面从研究和下井试验验证,还有螺杆泵与油井匹配不当的问题。下面分析匹配不当造成泵过早失效的原因。图3所示为施工作业中经常遇到的一种不合理的井泵匹配工况。这种工况的特点是油井的供液能力强,静液面和采液指数高,而泵的流量小,扬程高,泵的工作点在Ⅰ区的左边。在这个区域内,泵的容积效率很高,而机械效率和总效率很低,大部分机械能在定、转子之间变成磨擦热。这时,如果井液温度较低,泵的排量足够大,摩擦热会通过井液散发,它对橡胶的性能影响并不大;但若定、转子之间润滑不充分,会加速定子的磨损。若井温较高,排量较小,磨擦产生的热难以散发,会加速橡胶老化,使泵过早失效。图4所示为现场作业中遇到的另一种不合理的井泵匹配工况。此工况的特点是油井的供液能力不足,采液指数很低,而泵流量过大,使泵的工作点落在Ⅲ区的右边。泵开始工作时,井筒内静液面较高,泵能正常工作。由于采液指数较低,工作一段时间后,液面迅速下降,且很快降至A点,即泵挂深处(泵入口处)。这时因泵效很低,所吸入的井液又大部分漏掉,压能变成了热能,致使定子温度升高。另外,由于泵没有了沉没度,井液中的溶解气大量析出,使泵排出的液气混合物中,液体降至很小比例。再加上泵入口下边的限位短节和锚定工具等,事实上动液面降至泵入口下边B点(筛管)处,即出现负沉没度。这时,泵中介质不仅有析出气,还有从套管直接吸入的气体,致使泵长时间在排气状态下工作。因为没有足够的液体润滑,摩擦热又不能散发,定子橡胶急剧升温,促使橡胶膨胀,增加了对转子的抱紧力,抱紧力又促使摩擦力增加。这种恶性循环使橡胶很快烧焦,导致泵很快失效。这种不合理的匹配,对泵的危害最大。现场的统计和分析表明,很多泵都是在这种不合理的匹配工况下工作而早期失效的。造成这种不合理匹配的原因有二,一是泵虽已下到射孔段或射孔段以下,但泵的流量远大于井的供液量,使泵没有了沉没度,造成泵抽空而使橡胶定子毁坏;二是泵挂深度在射孔段以上,下泵深度不够,泵的流量大于在此深度时油井的产液量。这两种情况都是应该避免的。3.2合理匹配图5是井泵合理匹配工况。这种工况的特点是泵的工作点落在Ⅱ区,并在高效点附近,而且还有保证螺杆泵正常工作的沉没度。在这种匹配条件下,泵的效率最高,产生的热量少,橡胶老化速度减缓;同时因泵总有一定的漏损,泵的润滑条件好,磨损小,泵的寿命就长。油田的使用经验证明,很多运转几年的泵均是在这种合理匹配工况下工作的。因此,井下作业设计人员必须掌握井况的详细资料,了解螺杆泵的外特性,根据井的采液指数,设定沉没度,以预定的动液面深度来确定泵挂深度和日产液量,并根据以上条件选择泵。在试运行期间,不断调整泵的转速和产液量,以达到井泵的合理匹配,使泵获得较长寿命。参考文献[1]万仁溥等.采油技术手册,第四分册.北京:石油工业出版社,1993:275~278.[2]郁文正.地面驱动采油螺杆泵设计中的若干问题.石油机械,1992,20(6):5~10.图4泵的工作点在Ⅲ区右边的井泵匹配工况图5泵的工作点在Ⅱ区的井泵匹配工况球阀结构模型可以简化为无底闸孔出流模型,可以用无底闸门孔流动收缩系数来代替环形流的外层收缩系数,见表1所示。因此球阀的流量系数C可以由式(6)与表1中数据来计算。3球阀结构流量系数的数值模拟在GAMBIT中分别建立不同钢球升高量的计算模型,利用FLUENT软件模拟不同钢球升高量下的球阀结构模型流场特征,得出流量系数模拟值并与计算值相比较,验证球阀结构模型流量系数计算公式的可行性。参照图1建立模型,其中钢球直径0.004m,入口管径0.0025m,出口管径0.005m,计算区域总长0.02m,网格间隔尺寸(Intervalsize)设为0.2,采用T-Grid格式划分。定流量模拟计算得出不同钢球升高量下球阀结构进出口压降,结合公式(5)及公式(7)反推可得到流量系数C。4球阀结构流量系数计算值与模拟值对比分析如图2,表2。5结论由图4知,流量系数的模拟值与计算值有一定的偏差,总体上是模拟值略大于计算值,但是变化趋势相同,数值吻合度较好,随着钢球升高量的增加流量系数模拟值与计算值略呈直线上升趋势,钢球升高31025.1~m31075.8区间时流量系数值在0.39~0.55范围内,模拟值与计算值均在此范围内,能够正确反映流量系数的变化特性,说明流量系数简化公式能够用于球阀流量系数的计算。(上接174页)球阀流量系数简化模型及数值模拟分析作者:马晶,于喜欢作者单位:马晶(吉林市燃气热力设计研究院有限公司,吉林吉林,132000),于喜欢(吉林石油化工设计研究院,吉林长春,130000)刊名:科技创业家英文刊名:TECHNOLOGICALPIONEERS年,卷(期):2011(8)本文链接:
本文标题:球阀流量系数简化模型及数值模拟分析
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