音速喷嘴在气田开发中的应用

　　在气田开发中,我们面临着一个新的问题,随着地方经济的不断发展,各种高能耗的乡镇企业(如玻璃厂、保温棉厂等)为了自身利益,纷纷将厂点建在油田内的井、站、管线附近,他们采取各种形式进行非法窃气,由于气井气通常采用集气站集输工艺流程,气井井口至集气站之间没有安装计量装置,无法定性或定量地判断此段区域的天然气损耗情况,此区域就成了非法窃气的落脚点和滋生地。给我们的气田稳产高产和油区综合治理工作带来了很大困难。为了解决这一问题,必须在气井井口安装天然气流量计,由于气井井口压力多在10MPa以上,而且井口没有电源,所以无法选用普通的流量计,通过筛选,我们选用音速喷嘴作为井口计量装置。利用气流流经喷嘴达到临界流时,气体流量仅随上游压力变化的特点,具有较高的准确度,加上其体积小,安装方便,目前已逐渐得到推广应用。

　　1　音速喷嘴理论基础

　　(1)理论方程

　　音速喷嘴是个渐缩渐放的通道,气流经过渐缩段时,速度增加,压力降低,在最小截面处形成音速,达到临界气流,后经渐扩段将速度动能转化为压力能,使压力得以恢复,其结构原理如图1。

　　先假定气体在喷嘴中的流动为一元稳定无粘性的理想流体, 1-1断面的气体状态处于滞止状态。

　　①连续方程:根据质量守恒定律

　　②能量方程:根据能量守恒定律

　　气体在喷嘴中为绝热等熵流动:

　　(2)状态参数变化规律

　　由含h=n+pV得微分式

　　从上式看出,气流经过喷嘴随截面积的减小而速度增加,当达到音速时(Ma=1),截面积最小。

　　式中:n为气体内能kJ/kg;a为气体当地声速m/s;Ma马赫数。

　　(3)出口速度与临界参数

　　对于喷嘴入口截面至喉部截面即1—*截面气流为亚音速流动,由(5)式积分

　　气流在喷嘴流动中相比很小,可以忽略不计,代入得:

　　当喉部截面的速度v*达到音速时, Ma=1气流处于临界流状态。

　　(4)流量与最大流量

　　以喉部面积来计算气体流过喷嘴的流量:

　　为求最大流量,对上式方程方括号内p*/p1求导

　　即当压力达到临界压力比时,气体流经喷嘴的流量达到最大值

　　此式为喷嘴流量计算的理论公式

　　式中qm为气体质量流量kg/s。

　　2　音速喷嘴实际流体计算公式

　　(1)实际条件下的流量

　　实际气体在喷嘴中流动是受粘度影响的,引入流出系数c