摘" " 要：渦流管具有制熱性能，因此可用渦流管替代加熱爐，用于加熱節(jié)流后的井口高壓天然氣。為了優(yōu)選渦流管的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)，發(fā)揮渦流管加熱高壓井口天然氣的最佳效果，利用Fluent進行了數(shù)值模擬研究，建立用于高壓氣井井口加熱的渦流管模型，通過模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比，驗證了數(shù)學(xué)模型及模擬結(jié)果的正確性。當(dāng)渦流管長度為188" mm、冷端管直徑為7 mm、進口數(shù)為6、錐度為6°、進氣流量為0.18 kg/s、冷流率為0.6時，達到最佳加熱效果。根據(jù)氣井井口溫度與壓力參數(shù)，確定了渦流管的串并聯(lián)組合方式，并將渦流管加熱與加熱爐加熱進行了經(jīng)濟性對比，結(jié)果表明渦流管加熱具有優(yōu)異的加熱效果，經(jīng)濟效益顯著。

關(guān)鍵詞：渦流管；結(jié)構(gòu)參數(shù)；操作參數(shù)；高壓氣井；井口加熱；串并聯(lián)組合

Optimization of vortex tube parameters for heating throttled high pressure

natural gas at wellhead

YU Kaiyang1， MA Hongwei2

1. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation （Shenyang Branch）， Shenyang 110031， China

2. Shandong Gangyuan Pipeline Logistics Co.， Ltd.， Yantai 264000， China

Abstract：The heating performance of the vortex tube enables it to replace the heating furnace to heat the throttled high pressure natural gas at the wellhead. To choose the optimal structural parameters and operating parameters of the vortex tube， and give full play to the heating effect of the vortex tube on high pressure natural gas at the wellhead， this paper uses Fluent to carry out numerical simulation research to constructa vortex tube model for heating high pressure air gas at the wellhead and verifies the mathematical model and simulation results through the comparison with the experimental results.When the length of the vortex tube is 188 mm， the diameter of the cold end tube is 7 mm， the number of inlets is 6， the taper is 6°， the intake flow is 0.18 kg/s， and the cold flow rate is 0.6， the best heating effect is achieved. Based on the wellhead temperature and pressure parameters of the gas well， the series-parallel combination mode of the vortex tube is determined， and the economic comparison between the two heating ways using the vortex tube and heating furnace respectively is carried out. The results show that the vortex tube manifests a good heating effect and has significant economic benefits.

Keywords：vortex tube; structural parameter; operating parameter; high pressure gas well; wellhead heating; series-parallel combination

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.002

為了滿足集氣工藝的要求，井口高壓天然氣需采用節(jié)流閥多級節(jié)流降壓，通常采取加熱爐加熱、添加水合物抑制劑、井下節(jié)流等方法防止天然氣水合物的形成，這些方法普遍存在投資高、運行技術(shù)困難等問題[1-2]。渦流管是一種利用高壓天然氣自身的高壓實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化升溫從而防止水合物生成的裝置，其主要由切向進口、渦流室、冷端管、熱端管以及熱端控制閥等幾部分組成[3-5]，渦流管結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。渦流管工作時，高壓天然氣經(jīng)渦流管進口切向進入到渦流室中，在熱端管中被分離成冷、熱兩股氣流，其中冷氣流位于軸心處，熱氣流位于管壁處，兩股流體分別從冷端出口與熱端出口流出，從而發(fā)揮制冷和制熱作用[6-8]。

渦流管在加熱天然氣方面應(yīng)用廣泛，但冷端冷氣流的二次處理一直是未能解決的問題[9-10]。一些研究者利用換熱器對冷氣流進行加熱，產(chǎn)生了大量能耗，本文采用冷、熱端氣流相混合的方法避免了對冷端氣流進行二次處理，可有效節(jié)省加熱能耗。

渦流管性能影響參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)兩個方面，通過優(yōu)選渦流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)可以提高渦流管的加熱效果[11-14]。

1" " 模型建立

1.1" " 物理模型

圖2為4進口渦流管的物理模型簡圖，因其結(jié)構(gòu)與管內(nèi)流場具有周期對稱性，為減少計算時間，只需建立其1/4物理模型。總管長為138 mm，其中熱端管長為100 mm，冷端管長為30 mm，渦流室長為2 mm，切向進口處的截面為正方形，邊長為2 mm，渦流室的直徑為20 mm，冷端管直徑為5 mm，熱端管直徑為16 mm，熱端閥門為圓錐臺形狀，其小圓直徑為10 mm，大圓直徑為13 mm。

1.2" " 網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有網(wǎng)格生成質(zhì)量好、速度快的優(yōu)點，渦流管的物理模型經(jīng)過簡化后，渦流管整體的形狀規(guī)整，適合使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其進行網(wǎng)格劃分，然后采用網(wǎng)格質(zhì)量光順技術(shù)，提高網(wǎng)格質(zhì)量，處理后網(wǎng)格的質(zhì)量達到0.65以上。

圖3為網(wǎng)格劃分圖，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為303 347時，渦流管熱端出口溫度最大，表明此時渦流管內(nèi)達到最大分離效果，因此應(yīng)控制渦流管的網(wǎng)格數(shù)量為30 × 104左右。

1.3" " 數(shù)學(xué)模型

1.3.1" " 湍流模型

渦流管內(nèi)流動到達穩(wěn)態(tài)時，其湍流為各向同性的均勻湍流[13]，這與Standard k-ε模型假定相同，因此選擇Standard k-ε模型為管內(nèi)湍流模型。

1.3.2" " 邊界條件

渦流管內(nèi)的工質(zhì)為可壓縮理想氣體CH4。入口為流量入口（mass flow inlet），壓力設(shè)置為10 MPa；冷端與熱端出口設(shè)置為壓力出口，冷端出口設(shè)置為8 MPa，進、出口溫度設(shè)置為300.15 K，調(diào)節(jié)熱端出口壓力，控制渦流管的冷流率為0.5。在渦流管的進口與出口處設(shè)置監(jiān)測面，監(jiān)測進、出口質(zhì)量流量變化[10]。

1.3.3" " 數(shù)學(xué)模型驗證

為驗證渦流管數(shù)學(xué)模型的正確性，將渦流管的數(shù)學(xué)模型保持不變，建立與吳雪瑩實驗中相同結(jié)構(gòu)尺寸渦流管的物理模型[12]，設(shè)置與其實驗中相同的邊界條件，然后進行模擬，將模擬結(jié)果與吳雪瑩實驗結(jié)果進行對比。如圖4所示，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，誤差在允許范圍內(nèi)，因此認為渦流管的數(shù)學(xué)模型是正確的。

1.4" " 渦流管性能指標

渦流管性能指標如下。

制冷效應(yīng)：[ΔTc=Ti-Tc] （ 1 ）

制熱效應(yīng)：[ΔTh=Th-Ti] （ 2 ）

分離效應(yīng)：[ΔT=Th-Tc] （ 3 ）

冷流率：[χ=mc/mi] （ 4 ）

混合溫差：[ΔTη=Th-ΔTr1-χ+Tc?χ-Ti]

（ 5 ）

式中：Ti為進氣溫度，K；Th為熱端出氣溫度，K；Tc為冷端出氣溫度，K；mc為冷端出氣流量，kg/s；mi為進氣流量，kg/s；ΔTη為冷熱端氣體混合后的溫度與進氣溫度差值K；ΔTr為熱端氣體使用節(jié)流閥節(jié)流溫降，K；ΔTη混合溫差，其反應(yīng)了渦流管加熱高壓天然氣的效果，K。

2" " 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

設(shè)置渦流管進氣流量為0.12 kg/s，其他操作參數(shù)不變，優(yōu)選用于高壓氣井井口加熱的渦流管結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括長度、冷端管直徑、進口數(shù)以及錐度），以發(fā)揮其最佳加熱效果[15-17]。

2.1" " 渦流管長度優(yōu)選

控制進口數(shù)為6、冷端管直徑為4 mm、渦流管錐度為0°，將渦流管長度L分別設(shè)置為88、138、188、238 mm，進行優(yōu)選。

2.1.1" " 渦流管長度對制熱與制冷效應(yīng)的影響

如圖5所示，隨著渦流管長度的增加，制熱效應(yīng)不斷增加，這表明隨著渦流管長度的增加，管內(nèi)的高壓天然氣湍流能夠充分發(fā)展。最大制熱效應(yīng)在長度為238 mm時，其制熱效應(yīng)達到3 K左右；最小制熱效應(yīng)在長度為88 mm時，為0.5 K左右。渦流管長度在188～238 mm區(qū)間時，其制熱效應(yīng)幾乎沒有變，因此可以認為渦流管長度為188 mm時制熱效應(yīng)最佳。在相同冷端管直徑條件下，隨著渦流管長度的增加，制冷效應(yīng)幾乎不變，這表明當(dāng)渦流管的冷端管直徑確定后，其制冷效應(yīng)與渦流管長度無關(guān)。

2.1.2" " 渦流管長度對混合溫差的影響

如圖6所示，隨著渦流管長度的增加，混合溫差不斷增加，L=188 mm時混合溫差基本穩(wěn)定，之后增加渦流管長度，混合溫差保持不變。高壓天然氣采用節(jié)流閥進行節(jié)流降壓時，壓力從10 MPa降至8 MPa，溫度降低7.5 K；而采用L=188 mm的渦流管加熱，溫度比其少降低2.3 K，溫降僅為5.2 K。L=188 mm與L=238 mm的渦流管，其混合溫差幾乎相同，在加熱高壓天然氣相同的效果下，考慮渦流管越長在制作上越復(fù)雜、費用越高，因此優(yōu)選渦流管長度為188 mm用于加熱高壓天然氣。

2.2" " 渦流管冷端管直徑優(yōu)選

在渦流管進口數(shù)為6、長度為188 mm、錐度為0°的條件下，將冷端管直徑分別設(shè)置為4、5 、6、7 、8 mm，進行優(yōu)選。

2.2.1" " 不同冷端管直徑渦流管對性能的影響

如圖7所示，隨著冷端管直徑增加，制冷效應(yīng)呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢，在直徑為7 mm時，制冷效應(yīng)最小，為4.2 K左右。相比于制冷效應(yīng)，制熱效應(yīng)整體變化的范圍較小，圖7中制冷效應(yīng)的最大值為7.5 K左右，制熱效應(yīng)的最大值為3.3 K左右。這是因為當(dāng)一個渦流管長度確定后，其冷端管直徑的大小對制熱效應(yīng)的影響小于其對制冷效應(yīng)的影響，改變冷端管直徑大小，主要影響渦流管的制冷效應(yīng)。

2.2.2" " 不同冷端管直徑渦流管對混合溫差的影響

如圖8所示，渦流管混合溫差隨著冷端管直徑增加呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。當(dāng)冷端管直徑為7 mm時溫降最小，混合溫度降低1.5 K。之后增加冷端管直徑混合溫差不再發(fā)生改變，相比于高壓井口天然氣節(jié)流閥節(jié)流降壓溫度降低7.5 K，渦流管加熱比其少降低6 K，具有很好的加熱效果，因此優(yōu)選渦流管冷端管直徑為7 mm。

2.3" " 渦流管進口數(shù)優(yōu)選

在渦流管長度為188 mm、冷端管直徑為7 mm、渦流管錐度為0°的情況下，將渦流管的進口數(shù)分別設(shè)置為1、2、3、4、5、6，進行優(yōu)選[14]。

2.3.1" " 不同進口數(shù)渦流管對性能的影響

如圖9所示，隨著進口數(shù)的增加，制熱效應(yīng)不斷降低，進口數(shù)為1或2時，其制熱效應(yīng)幾乎相同，最大制熱效應(yīng)約為8 K。之后隨著進口數(shù)的增加，制熱效應(yīng)均勻減小，在渦流管的進口數(shù)為6時達到最小制熱效應(yīng)，為4 K左右。隨著進口數(shù)的增加，渦流管的制冷效應(yīng)呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，進口數(shù)從1到2的過程中制冷效應(yīng)顯著降低，單進口渦流管的制冷效應(yīng)為20 K，6進口渦流管的制冷效應(yīng)為4 K。隨著進口數(shù)的增加，制冷效應(yīng)降低的程度大于制熱效應(yīng)降低的程度。

2.3.2" " 不同進口數(shù)渦流管對混合溫差的影響

如圖10所示，隨著進口數(shù)的增加，混合溫差不斷增加。在進口數(shù)為6時，混合溫差取得最大值（-1.5 K），氣體混合溫度下降最小，說明加熱效果最好。

相比于單進口渦流管，多進口渦流管由于結(jié)構(gòu)對稱，渦流室內(nèi)流場分布均勻，高壓天然氣在渦流管中的能量轉(zhuǎn)化過程更穩(wěn)定，整體混合后加熱效果更好，混合溫度更高。

2.4" " 渦流管錐度優(yōu)選

將渦流管的熱端管設(shè)計成具有一定錐度的漸縮形，其物理模型如圖11所示[17]。

渦流管長度為188 mm，冷端管直徑為7 mm，進口數(shù)為6，將渦流管熱端管的錐度分別設(shè)置為0°、3°、6°、9°，進行模擬優(yōu)選。

2.4.1" " 不同錐度渦流管對性能的影響

如圖12所示，隨著渦流管錐度增加，制熱效應(yīng)呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，在錐度為6°時達到最大制熱效應(yīng)（5.5 K），錐度為9°時達到最小制熱效應(yīng)（1 K）。錐度角從3°變化到6°過程中，制熱效應(yīng)顯著增加，表明錐度在此范圍內(nèi)對渦流管的制熱作用有顯著促進作用。制冷效應(yīng)曲線在錐度從0°變化到6°過程中幾乎沒有發(fā)生改變，表明錐度在此范圍內(nèi)對制冷效應(yīng)沒有影響，保持在4.5 K左右，而當(dāng)錐度從6°變化到9°過程中制冷效應(yīng)降低到2.5 K，表明此時渦流管內(nèi)分離效應(yīng)減弱。

2.4.2" " 不同錐度渦流管對混合溫差的影響

如圖13所示，隨著渦流管錐度的增加，混合溫差呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，在渦流管的錐度為6°時，達到最大混合溫差（0.5 K），這表明通過優(yōu)選渦流管的錐度，能夠使混合氣體溫度高于進氣溫度。

3" " 操作參數(shù)優(yōu)選

在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，模擬優(yōu)選渦流管的操作參數(shù)，包括進氣流量與冷流率。

3.1" " 渦流管冷流率優(yōu)選

控制進氣壓力為10 MPa、冷端出口壓力為8 MPa、進氣流量為0.12 kg/s，將渦流管的冷流率分別設(shè)置為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，進行優(yōu)選。

如圖14所示，隨著冷流率的增加，混合溫差呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，在冷流率為0.6時達到混合溫差的最大值（0.8 K左右）。因此，用于加熱高壓井口天然氣的渦流管的最優(yōu)冷流率為0.6。

3.2" " 渦流管進氣流量優(yōu)選

進氣壓力為10 MPa，冷端出口壓力為8 MPa，控制冷流率為0.6，將渦流管的進氣流量分別設(shè)置為0.06、0.12、0.18、0.24、0.30、0.36 kg/s，進行優(yōu)選。

如圖15所示，當(dāng)進口流量小時，渦流管內(nèi)能量分離不明顯，渦流管對高壓天然氣的加熱不充分，因此混合溫差小、溫降大。隨著進氣流量的增加，管內(nèi)氣體間能量充分轉(zhuǎn)化，在進氣流量達到0.18 kg/s時，混合溫差達到最大值（0.9 K），之后隨著進口流量的增加，渦流管內(nèi)工質(zhì)速度持續(xù)增加，冷熱端分離效果進一步加強，制冷效率大幅度增加，混合溫差變小。

4" " 經(jīng)濟效益分析

通過模擬優(yōu)選了渦流管的最優(yōu)參數(shù)，綜合考慮其最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與最優(yōu)操作參數(shù)，應(yīng)用于加熱高壓井口天然氣。

若高壓氣井日產(chǎn)氣量200 000 m3，井口天然氣出口壓力10 MPa、出口溫度288.15 K，集輸工藝的要求為輸出壓力6.4 MPa、輸出溫度在284.15 K以上[18-22]。

4.1" " 渦流管加熱費用計算

控制渦流管的進出口壓力比為1.25，為滿足加熱要求，采用二級串聯(lián)渦流管進行加熱，二級串聯(lián)渦流管工作參數(shù)見表1。

經(jīng)過渦流管加熱處理后，天然氣的壓力降為6.4 MPa，溫度為288 K，滿足集輸工藝要求。

井口天然氣質(zhì)量流量為1.85 kg/s，渦流管的進氣流量控制在0.18 kg/s，為滿足流量處理要求，共需要11個渦流管并聯(lián)，串并聯(lián)組合共需22個渦流管。制作單個渦流管大約需要5 000 元，渦流管串并聯(lián)組合費用共為11萬元。

4.2" " 加熱爐加熱費用計算

1）購買加熱爐設(shè)備的費用為10萬元。

2）高壓天然氣從10 MPa、288.15 K變化到6.4 MPa、284.15 K過程中，經(jīng)過HYSYS計算，加熱爐加熱升高天然氣的溫度ΔT=14.5 K。加熱爐每年所需天然氣燃料費用計算如下：

[Q1=cpmΔT] （ 6 ）

[Q2=Q1η] （ 7 ）

[V/d=Q2q] （ 8 ）

[V=V/d×D] （ 9 ）

[S=V×a] （ 10 ）

式中：m為天然氣質(zhì)量，kg；cp天然氣定壓比熱容，kJ/（kg.K）；ΔT取14.5 K；Q1為高壓天然氣升溫所需熱量，kJ；Q2為燃料燃燒所釋放的能量，kJ；η為加熱爐效率，取0.5；V/d為加熱爐日所需天然氣，m3/d；q為單位體積天然氣的熱值，36 000 kJ/m3；V為加熱爐年所需天然氣，m3；D為一年的天數(shù)，取365 d；a為天然氣單價，取1.2元/m3；S為加熱爐年用燃料費用，萬元。

經(jīng)計算，加熱爐年耗燃料費用為12.5萬元。

4.3" " 兩種不同加熱方式經(jīng)濟性對比

如表2所示，雖然渦流管加熱方式前期的設(shè)備投資高，但渦流管的使用年限長，年平均成本更低，每年可節(jié)省生產(chǎn)成本13.8萬元，對于一口數(shù)年長期開采的氣井，將會帶來顯著經(jīng)濟效益。

5" " 結(jié)論

本文基于渦流管的制熱特性，建立了用于高壓氣井井口加熱的渦流管模型，利用Fluent進行了模擬計算，優(yōu)選了渦流管的相關(guān)參數(shù)，得到了以下結(jié)論：

1）結(jié)構(gòu)參數(shù)影響著制熱與制冷效果，從而影響混合溫差，當(dāng)渦流管長度為188 mm、冷端管直徑為7 mm、進口數(shù)為6、錐度為6°時，可發(fā)揮其最佳加熱效果。操作參數(shù)優(yōu)選是在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下實現(xiàn)的，當(dāng)冷流率為0.6、進氣流量為0.18 kg/s時，達到最佳加熱效果。

2）渦流管的串并聯(lián)組合能更好發(fā)揮其加熱效果，根據(jù)最優(yōu)操作參數(shù)確定并聯(lián)組合，結(jié)合高壓氣井集輸要求確定串聯(lián)組合。相比加熱爐加熱，渦流管加熱具有很好的加熱效果，對于一口年產(chǎn)量在7 300 × 104 m3、生產(chǎn)年限為10 a的高壓天然氣氣井，采用渦流管加熱，可以節(jié)省生產(chǎn)成本138萬元，經(jīng)濟效益顯著。

3）不同于以往渦流管加熱天然氣的方式，只有渦流管熱端出口的天然氣達到溫度上升的效果，冷端出口的天然氣由于溫度較低，需要進行二次處理。本文采用了冷熱端相互混合的方式，避免了對冷端出口的二次加熱，減少了能源的消耗；同時，基于綜合考慮優(yōu)選渦流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，渦流管采用串并組合的方法，最大限度地發(fā)揮渦流管加熱井口高壓天然氣的效果。

4）本文中組合渦流管加熱高壓井口天然氣的效果是采用計算機模擬方式得到的理論數(shù)據(jù)，現(xiàn)場是否能夠達到預(yù)期的效果，還需要通過其在氣井生產(chǎn)中的實際應(yīng)用去驗證。

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作者簡介：

于開洋（1995—），男，遼寧丹東人，工程師，2022年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）建筑與土木工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事油氣儲運研究工作。Email：3117508697@qq.com

收稿日期：2024-06-19