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摘要: 在给定组分条件下, 天然气水合物的生成与否主要取决于压力和温度, 正确地预测天然气节流后的温度, 可为水合物的防治提供技术依据。利用FLUENT有限元分析软件, 建立RMG530减压阀阀内流体有限元模型, 模拟不同工况条件下阀内流体的分输节流过程, 分析阀内流体流速、压力与温度变化规律, 比较入口压力、节流压降和环境温度等因素对减压阀节流温降过程的影响, 并利用分输站场节流温降测试数据验证模拟结果的正确性。结果表明: 节流分输过程阀内天然气流动复杂, 呈强湍流特性; 阀笼节流孔内流速激增, 但压力、温度骤降, 水合物析出在节流孔内完成; 环境温度、入口压力和节流压降是影响节流温降过程的主要因素, 节流温降随压降差值的增大而增大, 随入口压力和初始温度的增大而减小。Abstract: Under the conditions of given components, generation of gas hydrate is decided by pressure and temperature. Accurate prediction of gas temperature after throttling can provide technical foundation for prevention and control of hydrates. In this regard, the finite-element model for fluids within RMG530 gas regulator was established with the finite-element analysis software FLUENT, in order to simulate distribution and throttling process of fluids within the gas regulator under different conditions. Specifically, the model was used to simulate the variation of internal fluid velocity, pressure and temperature, and analyze the effect of inlet pressure, pressure drop and ambient temperature on the temperature drop when gas flows through gas regulator. In addition, testing data for temperature drop obtained in gas offtake stations were used to verify the accuracy of simulation results. Research results show that the gas flow field in the regulator is complicated, with intense turbulent flow characteristics. In the gas throttling process, flow velocity increases sharply while pressure and temperature plunge, providing the suitable condition for precipitation of hydrates. Ambient temperature, inlet pressure and pressure drop are key factors for the temperature drop in throttling. The temperature drop increases as pressure drop increases, and decreases as inlet pressure and initial temperature increase.
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长输天然气管道运输过程中，通常采用提高气体压力的方法降低运输成本。主管道的高压力天然气在经分输站进入相对低压管道时，减压阀处由于摩擦耗能产生较大的节流压降和温降。我国的天然气长输管道（陕京管道和西气东输管道）沿线地区秋冬季节温度较低，减压阀分输过程中，天然气流经节流部位时，由于流通面积骤减，流通受阻，产生强烈的涡流，同时由于节流效应温度降低，压力波动剧烈，天然气水合物极易在节流通道内析出凝结，引起减压阀及其上下游管道形成严重的冰堵，甚至导致管道停输。
在一定的压力条件下，温度是天然气水合物生成与否的关键因素。节流温度低于水合物的露点，天然气水合物析出；高于水合物的露点，已形成的水合物将会分解，因此准确预测减压阀分输过程中的节流温降趋势是防治天然气水合物生成的前提。目前，国内主要采取建立数学模型的方法预测节流温降过程，李颖川等[1]基于能量守恒原理和范德华混合规则，采用Peng-Robinson方程建立了天然气节流温降机理模型。李玉星等[2]从伯努利方程和绝热膨胀方程入手，结合BWRS方程给出了天然气节流温降计算方法。这两种方法都只能用于单相气体的节流温降计算，数学模型计算得到的是节流温降平均值。由于天然气分输减压阀结构复杂，节流过程温度分布极不均匀，因此采用数学建模预测节流温降规律的实际参考价值不大。
以RMG530减压阀为研究对象，建立阀内流体三维有限元模型，利用FLUENT有限元分析软件，获得了不同工况条件下分输过程流体流速、压力和温度的不均匀分布规律，分析得出了天然气入口压力、节流压降、天然气入口温度对节流温降的影响。该研究结果可为分输站冰堵的防治提供依据，降低防治成本，避免防治措施的盲目性。
1. 节流降温效应
天然气流经减压阀阀笼时，流通面积骤缩，产生强烈的涡流，同时由于无法与周围环境进行充分的热量交换，造成阀内温度的骤降，该过程称为节流效应。节流效应(又称焦尔-汤姆逊效应) 的大小通常用等焓过程中的温度变化与压力变化之比的极限表示，其值μj称为绝热节流系数。
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2015/5/href="yqcy-34-5-500-E1.png")
(1) 式中：μ为比热力能，J/kg；cp为气体的比定压热容，J/(kg·K)；T为气体的热力学温度，℃；V为比体积，m3/kg。
μj由热力学能和流动功决定，其随压力、温度的变化而变化[3-6]。当节流后温度降低时，μj > 0，产生节流冷效应；当节流后温度升高时，μj < 0，产生节流热效应；对于理想气体，节流前后温度不变，μj=0，产生零效应。天然气分输过程中气体流经阀笼时流通面积骤缩，阀笼处产生强烈扰动和摩擦；分输后压力减小，分子间距增大，必须通过吸收热量来克服分子间吸引力。摩擦和分子间位能的增加产生节流冷效应，造成分输气体温度的降低。
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2015/5/href="yqcy-34-5-500-E2.png")
(2) 式中：h为焓变；c为流体流速，m/s。
节流前后距节流部位较远的位置，流体速度差值较小，节流动能差较焓值可以忽略，上式可简化为h1=h2，节流前后为绝热等焓过程。然而，由于节流过程流通面积骤减，流体流动速度迅速增大，节流动能差较大，节流过程并非等焓过程，因此节流前后存在前降后升的焓变。如果按照绝热等焓过程计算分输节流温降，温度计算误差必然很大。建立流体有限元模型，可以模拟分输动态过程的温降情况，计算结果实际参考价值更大。
2. 流体模型的建立
RMG530减压阀由阀体、阀杆、阀盖、阀板、阀套、阀笼和阀密封等组成，在分输减压过程中通过调节阀杆带动阀套上下滑动，进而控制阀笼的开度，达到节流降压的目的。根据结构图纸建立等比例阀体模型，减压阀规格为DN150/300，阀体进口端直径为150 mm，出口端直径为300 mm；阀笼是分输减压阀节流部位，流体流通部位为直径1 cm的节流孔。为了减少网格划分的工作量和计算时间，并确保计算结果的准确性，对减压阀阀笼流通区域进行简化，按照实际孔的位置分布和大小，将阀笼的小圆孔简化成面积相等的长条状通路（图 1、图 2）。
考虑阀体运行的实际工况，减压阀运行调压范围为2~6 MPa。冬季工况条件下环境温度为-10 ℃，天然气入口压力为8 MPa，出口压力为2 MPa，流量为4×104 m3/h；夏季工况条件下环境温度为30 ℃，天然气入口压力为6 MPa，出口压力为3.5 MPa，流量为2×104 m3/h；不同的调压范围对应不同的阀体开度，根据节流压降范围，对3种开度条件下的节流分输过程进行模拟计算（图 3）。
利用ANSYS ICEM CFD建立流体模型。应用O形网格技术细化近表面的网格，可以显著提高曲率较大处网格质量，提高模拟计算的准确性（图 4）[10]。
3. 流体的节流效应分析
为了获得节流过程阀内流体的温度、压力分布规律，对冬季工况的节流过程进行分析（图 5~图 11），环境温度为-10 ℃，减压阀入口压力为8 MPa，出口压力为2 MPa。模拟计算采用流体有限元软件FLUENT，设置压力入口和出口边界条件。解的格式采用分离解和绝对速度，流体模型选用κ-ε湍流模型。
根据工况条件下阀内流体的速度流线图和阀笼处速度云图（图 5、图 6），减压阀内部流场非常复杂，在进气管段流体的流速分布较均匀，入口流速较低，当天然气流经阀笼时，节流孔流通面积突然减小，受节流效应的影响流体流速增大，快速流动的流体呈喷射状，节流通道内局部流速达到578 m/s。高速气流在喷射流的牵引下直接进入阀腔，在壁面的阻挡和摩擦力共同作用下，在阀笼周围形成数量众多的相同旋向的旋涡。阀笼部位流速变化剧烈，在远离阀笼部位的出口处流速大幅度下降。
根据工况条件下阀内流体的压力分布云图和阀笼处压力云图（图 7、图 8），压力波动主要出现在阀笼处，入口段压力保持在8 MPa，出口压力为2 MPa。阀笼处由于流通面积骤减，流体流通受阻，压力迅速下降。节流孔内压力由7.85 MPa迅速降至1.43 MPa，受高速喷射流体冲击的位置出现局部高压区，压力达到5.5 MPa。
根据节流过程的温度分布云图（图 9~图 11），阀体入口温度为环境温度263 K，出口最低温度为212 K，前后温差为51 K。阀笼是分输减压阀的节流部位，天然气分输过程中由于节流效应，阀笼处天然气流速加快，压力骤降。流体的温度与流速压力分布规律一致，节流孔为压力和温度变化最大、流速最快的位置；阀笼处温度分布很不均匀，温度最低达到184 K，远离阀笼的位置温度缓慢回升，距离减压阀出口0.5 m处温度已维持在210 K左右。节流过程温度显著低于节流压力下水合物的露点，水合物在压力波动的激励下极易在节流孔内析出。计算结果显示，水合物在节流孔出孔前已基本完全析出，远离节流孔的位置压力和温度缓慢回升，水合物析出较少[11-14]。
4. 节流温降规律
在一定的压力条件下，天然气水合物的生成与否主要取决于温度，准确预测减压阀分输过程节流温降规律是天然气水合物防治的前提。对一系列进口压力和阀体开度下RMG530减压阀的分输节流过程进行数值模拟，通过对环境温度、入口压力、节流压降等因素对节流温降的影响分析，获得了RMG530减压阀分输过程的节流温降规律，可为水合物的防治提供指导。
根据不同入口压力条件下节流后的天然气温度T2与节流压降Δp的关系曲线（图 12）可知，冬季工况，入口压力8 MPa，环境温度263 K，压降为6 MPa时，节流后温度为184 K，节流过程温降79 K；夏季工况，入口压力6 MPa，环境温度293 K，节流压降为3 MPa时，节流后温度为250 K，节流过程温降43 K。
相同的入口压力下，节流压降越大，节流温降越大。在温度降到最低点之前，节流孔内压力与温度分布规律具有一致性，水合物析出多在节流温度降到最低值之前完成。随节流压降的增大，节流后出口压力减小，节流温度最低点的位置距节流孔出口越近，水合物析出量越多。入口压力一定时，出口压力越高，节流温降越小，水合物析出量越少。为防止天然气水合物的析出应采用多级降压，降低每一级压降的差值[15-17]。
根据高压天然气节流前压力p1、节流压差Δp与温降ΔT的关系曲线（图 13），当环境温度变化时，天然气节流温降规律具有一致性：相同压降条件下入口压力越低，节流温降越大；相同的入口压力下，节流压降越大，节流温降越大。当入口压力和压降条件一定时，环境温度越小，节流温降越大。增大环境温度可有效减小天然气水合物的析出，环境温度升高，阀内整体温度增高，相同压降条件下水合物的露点不变，水合物开始析出的位置距节流孔出口越近，析出时间越短，水合物的析出量越少。
绝热节流系数μj为下降单位压力时温度的变化值，其随入口压力、环境温度和节流压差的变化而变化。绝热节流效应多用平均节流系数μj表示，μj越大，节流温降越严重。考虑减压阀的实际运行工况，分析入口压力为8 MPa时，平均节流系数随环境温度、节流压差的变化情况（图 14），入口压力和环境温度一定的状态下，节流压降越大，平均节流系数越大；入口压力和节流压降一定的状态下，环境温度越低，平均节流系数越大。
绝热节流系数越小，节流温降越缓慢，对冰堵的防治越有利[18-23]。天然气分输过程中，根据分析获得的节流温降规律，可通过控制分输过程的温度、入口压力、压降等参数降低平均节流系数。采取提高入口温度，减小节流压降，适当提高气体的入口压力等措施，可有效地防止天然气水合物的析出，对防治冰堵，保障天然气分输过程的正常运营意义重大。
5. 模拟结果验证
为了验证建立的节流温降模拟结果的准确性，将模拟结果与分输站测试温度结果进行对比。秦皇岛分输站和唐山分输站作为陕京线沿线的主要分输站场，秋冬季节环境温度较低，节流冰堵问题较严重。根据模拟获得节流过程阀内温度分布规律，分别对两分输站场内RMG530减压阀的节流温度进行测试（图 15、图 16），获得了不同季节，不同节流压降环境下的节流温降结果（表 1，其中夏季天然气需求量较小，流量为2×104 m3/h，天然气入口压力为6 MPa，出口压力为3.5 MPa；冬季天然气需求量较大，流量为4×104 m3/h，天然气入口压力为8 MPa，出口压力为2 MPa）。
表 1 模拟温度与测试温度结果对比
现场测试温度与模拟结果对比发现，温降模型模拟结果与现场测试结果吻合良好，节流过程温度最低点位于阀笼处，与模拟结果一致；最低温度与出口温度测试结果与模拟结果差值较小，误差在5%以内。说明建立的节流温降模型计算结果准确，可为天然气水合物的防治提供必要的技术手段。
6. 结论
（1）环境温度、入口压力和节流压降是影响节流温降过程的主要因素。相同压降条件下，入口压力越小，节流温降越大；相同的入口压力下，节流压降越大，节流温降越大；相同入口压力和压降条件下，初始温度越小，节流温降越大。
（2）水合物析出在节流孔内完成，环境温度的升高和节流压降的降低会减缓节流温降，进而缩短水合物凝聚析出时间，减少节流过程水合物的析出量。
（3）天然气节流温降伴随着水合物的析出与水合物凝结累积过程，后续研究需要建立水合物析出与液滴的并聚模型，分析分输过程液滴分布与冰堵形成过程，为分输阀体的冰堵防治提供指导。
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