ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ, ВОЗНИКАЮЩИХ В КЛАПАНАХ-РЕГУЛЯТОРАХ РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Аннотация. В работе исследовано влияние конструкции клапанов-регуляторов и режимов их работы на характеристики турбулентного течения природного газа и процессы дробления жидких капель при редуцировании давления на объектах подземного хранения газа. На основе численного моделирования трехмерных моделей клапанов «Регул» и «Моквелд» определены скорости газового потока, средняя скорость рассеивания энергии на единицу массы и максимальный стабильный диаметр капель при расходах природного газа 3 и 5 млн м³/сут, давлении на выходе 8 МПа и степени открытия клапанов от 20 до 100%. Установлено, что уменьшение степени открытия клапанов приводит к интенсификации турбулентных процессов и снижению максимального стабильного диаметра капель. Для клапана «Моквелд» при расходе 5 млн м³/сут и открытии 20% максимальный стабильный диаметр капель составил 1,8 мкм, тогда как для клапана «Регул» — 5,9 мкм. Полученные результаты подтверждают существенное влияние конструкции и режима работы клапанов-регуляторов на диспергирование жидкой фазы и последующую эффективность сепарации газа. Результаты исследования могут быть использованы при выборе рациональных режимов эксплуатации клапанов-регуляторов и разработке мероприятий по снижению негативного влияния турбулентного дробления капель на работу газосепарационного оборудования.

Ключевые слова: турбулентность, снижение давления, редуцирование, регулирующий клапан, сдвиговые напряжения, разрушение капель, сепарация, качество газа, циклонный элемент.

Введение. Единая система газоснабжения (ЕСГ) — это уникальный технологический комплекс, включающий объекты добычи, переработки, транспортировки, хранения и распределения газа по всем регионам России. Она обеспечивает непрерывный цикл поставки газа от скважины до конечного потребителя. На всех этапах при добыче, транспортировке и подготовке природного газа происходит ступенчатое понижение давления в газотранспортной системе.

При этом в газосепараторах ГРП и УКПГ на ПХГ применяются следующие типы сепарационных элементов: центробежный, гравитационный и жалюзийный (инерционный). Эффективность центробежных элементов наиболее высока и колеблется от 90 до 99,7% (фактически достигнутые максимальные значения на ПХГ достигают 95%). В конструкциях сепараторов с центробежными элементами за счет действия центробежных сил из газожидкостного потока отделяются капли жидкости диаметром не менее 5-15 мкм [2].

При этом уменьшение диаметра капель менее 5 мкм приводит к ухудшению эффективности сепарации [3]. Зависимость эффективности сепарации демонстрирует резкое снижение эффективности отделения капель влаги от газа ( ) при диаметре 3 мкм (рис. 2).

1 – диаметр капель 5 мкм, скорость газа 10 м/с; 2 – диаметр капель 5 мкм, скорость газа 15 м/с; 3 – диаметр капель 3 мкм, скорость газа 10 м/с; 4 – диаметр капель 3 мкм, скорость газа 15 м/с;

Рисунок 2. Зависимость эффективности сепарации мелких капель воды от гидравлического сопротивления регулярной насадки

Эмульгирование и разрушение капель в смешанных фазах (природный газ, вода, метанол, газовый конденсат, нефтепродукты) напрямую связаны с турбулентными сдвиговыми силами в дроссельных клапанах [4].

В работе проведены исследования турбулентных течений газового потока, возникающих в дросселирующих устройствах различной конструкции при регулировании расхода и давления газа, и оценка влияния наблюдаемых эффектов на эксплуатацию оборудования ПХГ.

Практическая значимость проведенных исследований заключается в определении влияния возникающих турбулентных течений газовой среды в клапанах-регуляторах на эффективность сепарации в газосепараторах, так как основное понижение давления на ПХГ осуществляется до установок комплексной подготовки газа.

Материалы и методы

Рисунок 4. Регулятор Звезда производства ООО «Регул»

Кроме того, в рамках опытно–промышленной эксплуатации на одном из объектов ПХГ установлен КРУ производства ООО «Регул» принципиально иной конструкции в сравнении с вышеприведенными КРУ (рис. 4).

В связи с тем, что КРУ плунжерной конструкции в основном используются для относительно малых расходов, исследование турбулентных потоков газа проводилось для КРУ, обладающих высокой производительностью, а именно клапана регулирующего осевого фирмы «Моквелд» и регулятора давления ООО «Регул». Технические параметры, на которых эксплуатируются КРУ на ПХГ, приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Технические параметры регулирующих клапанов

В экспериментальной части на ЗD-моделях вышеуказанных КРУ было проведено моделирование процессов течения газа при разных степенях открытия клапанов. Определялись скорость газового потока на выходе из клапана и средняя скорость рассеивания энергии на единицу массы ε м²/с³, характеризующая интенсивность турбулентных процессов. На основании полученных значений средней скорости рассеивания энергии с использованием расчетной зависимости определялся максимальный стабильный диаметр жидких капель.

Степень открытия задавалась cтупенчато от 20 до 100% с шагом 10% и давлением на выходе 8 МПа. Расход газа принимался равным 3 и 5 млн м³/сут.

Результаты моделирования рассматриваемых КРУ представлены на рис. 5 и 6. Параметры, полученные в результате моделирования расхода газа через КРУ в таблице 2.

Механизм разрушения капли описывается как баланс между внешними напряжениями, возникающими в сплошной фазе, и поверхностным напряжением капли, а также вязким напряжением жидкости внутри нее. Внешние напряжения могут разрушить каплю, в то время как поверхностное и вязкое напряжение восстанавливают ее форму. Баланс этих напряжений приводит к максимальному стабильному диаметру капли d_max. Для капель, диаметр которых превышает d_max, внешние напряжения преодолевают восстанавливающие, и капля разрушается. Этот баланс сил был выражен математически [5], где максимальный размер капель, которые могут существовать в определённом режиме турбулентного потока, определяются как:

,

где σ - поверхностное натяжение, 0,072 Н/м; ρ₁ - плотность непрерывной фазы, 0,717 кг/м³; ε - средняя скорость рассеивания энергии на единицу массы, м²/с³.

Значение максимального стабильного диаметра капли были получены при средней скорости рассеивания на единицу массы на выходе клапана. Результаты расчета максимального стабильного диаметра капли d_max, м приведены в табл. 3.

Полученные результат и их обсуждение

а)

б)

Рисунок 5. Результаты моделирования течения газа 5 млн м³/сут через КРУ «Регул» (а) и «Моквелд» (б)

а)                                               б)

Рисунок 6. Результаты моделирования течения газа 3 млн м³/сут. через КРУ «Регул» (а) и «Моквелд» (б)

Таблица 2.

Параметры, полученные в результате моделирования расхода газа через КРУ

Полученные результаты максимальных значений стабильных диаметров капель при разных степенях открытия КРУ и расходах газа позволяют сделать следующие выводы:

– уменьшение степени открытия КРУ приводит к повышению интенсивности турбулентных течений и снижению максимального стабильного диаметра капель. Для КРУ «Регул» при расходе газа 5 млн м³/сут при уменьшении степени открытия со 100 до 20% значение средней скорости рассеивания энергии увеличилось с 0,010·10⁻⁶ до 10,6·10⁻⁶ м²/с³, а максимальный стабильный диаметр капель уменьшился с 94,5 до 5,9 мкм. При расходе 3 млн м³/сут диаметр капель уменьшился со 167 до 9,9 мкм;

– для КРУ «Моквелд» влияние степени открытия выражено более значительно. При расходе газа 5 млн м³/сут уменьшение степени открытия со 100 до 20% сопровождалось увеличением средней скорости рассеивания энергии с 0,38·10⁻⁶ до 206,7·10⁻⁶ м²/с³ и снижением максимального стабильного диаметра капель с 31 до 1,8 мкм. При расходе 3 млн м³/сут диаметр капель уменьшился с 41 до 2,2 мкм;

– конструкция КРУ оказывает существенное влияние на интенсивность турбулентных процессов. При расходе газа 5 млн м³/сут и степени открытия 20% средняя скорость рассеивания энергии в КРУ «Моквелд» составила 206,7·10⁻⁶ м²/с³, что примерно в 19,5 раза превышает значение для КРУ «Регул» — 10,6·10⁻⁶ м²/с³. При расходе 3 млн м³/сут соответствующие значения составили 135,0·10⁻⁶ и 2,9·10⁻⁶ м²/с³, то есть различались примерно в 46,6 раза;

– при расходе газа 5 млн м³/сут и степени открытия 20% максимальный стабильный диаметр капель в КРУ «Моквелд» составил 1,8 мкм, что в 3,3 раза меньше, чем в КРУ «Регул» — 5,9 мкм. При расходе 3 млн м³/сут значения составили соответственно 2,2 и 9,9 мкм, то есть различались в 4,5 раза;

– при степенях открытия менее 60% для КРУ «Моквелд» и менее 40% для КРУ «Регул» максимальный стабильный диаметр капель становится ниже или близким к минимальному размеру капель, эффективно улавливаемых применяемыми сепарационными элементами. В частности, для КРУ «Моквелд» при расходе 5 млн м³/сут и открытии 20–40% диаметр капель составляет 1,8–4,68 мкм, а для КРУ «Регул» при открытии 20% — 5,9 мкм. Это может приводить к снижению эффективности последующей сепарации и требует разработки организационных или технических решений, направленных на уменьшение интенсивности дробления капель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Снижение негативного эффекта возникающих критических значений турбулентных течений газа на выходе КРУ позволит повысить степень коэффициента сепарации в газосепараторах до максимально возможных значений, что особенно актуально в условиях интенсивного протекания периодов отбора газа на ПХГ, характеризующихся максимальными/минимальными значениями расхода газа и повышением
его влагосодержания вследствие снижения пластового давления и т.д.