（机械设计及理论专业论文）螺旋轴流式多相混输泵输送气液两相时特性试验研究.pdf

螺旋轴流式多相混输泵输送气液两相时特性试验研究 赵新学( 机械设计及理论1 指导老师：李增亮教授 捅璺 井下螺旋轴流式多相混输泵兼有泵和压缩机的双重特点，可以多级串 联使用，不仅能够对输送介质进行增压，还可以适应大范围含气率工况， 且具有较高的效率。目前该种泵的设计还没有象单相泵那样成熟的方法， 为了开发研制该种泵，设计、安装并调试了气液混输泵试验台。在此基础 上，以课题组开发研制的新型多相泵样机为试验对象，进行了输送纯液以 及气液两相混合输送时泵的外特性试验，得到了泵的外特性曲线。试验结 果表明：试验结果与理论分析结果一致，验证了设计方法的正确性。为了 对多相泵增压单元的内部流场及相应的运行特性进行数值模拟，建立了较 为完善的c f d 分析模型，计算了不同工况下的流场和运行特性。数值计 算结果显示，数值仿真得到的特性曲线与试验曲线变化趋势一致，在设计 工况时，两种结果基本吻合，偏离设计工况时，数值计算值略高于试验值。 通过对内流场分析，得到了气液两相在流道内的运动规律。同时，对泵效 进行了探讨，提出了影响泵效的因素及对策，为该种泵今后的研制开发和 优化设计提供了技术储备和依据。 关键词：混输泵试验研究数值模拟c f d e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f h e l i c o - a x i a l m u l t i p h a s ep u m p t r a n s i e n t sg a s l i q u i dt w o - p h a s e z h a o x i n x u e ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iz e n g - l i a n g a b s t r a c t d o w n h o l eh e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m ph a v et h ed u a lc h a r a c t e r i s t i c so f p u m p sa n dc o m p r e s s o r s i t 啪b ec o n n e c t e di ns e r i e s t h i sp u m p n o to n l yc a n p r e s s u r i z et ot r a n s m i s s i o nm e d i u m ，b u ta l s oc a na d a p tt ol a r g er a n g ea i rs p a c e r a t i oo p e r a t i o n a lm o d ew i t hh i g he f f i c i e n c y a tp r e s e n t ，t h ed e s i g nm e t h o do f t h i sp u m pi sn o ta sm a t u r ea ss i n g l ep h a s ep u m p i no r d e rt oe x p l o i t a t i o na n d d e v e l o p m e n tt h i sp u m p ，b u i l d i n gu pa n dd e b u g g i n gas p e c i a lt e s t t a b l e o f g a s l i q u i dp u m p o nt h i sb a s i s ，t a k i n gt h en e wp a t t e mm u l t i p h a s ep u m p p r o t o t y p ea sc a n d i d a t e ，a c c o m p l i s ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c s o fm u l t i p h a s ep u m pt r a n s i e n t sl i q u i da n dg a s l i q u i dt w o p h a s e t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a ls t u d yo b t a i nt h ec h a r a c t e r i s t i c sc u r v e so fm u l t i p h a s ep u m p t h e t e s ts h o w st h a tt h er e s u l t so ft h et e s ta r ec o n s i s t e n tw i t ht h ec o n c l u s i o no f t h e o r e t i c a la n a l y s i s m e a n w h i l et h em s u h sp r o v et h a tt h ed e s i g na p p r o a c ho f t h em u l t i p h a s ei sr i g h t i no r d e rt oc o m p l e t et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no n i n t e r n a lf l o wa n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i p h a s ep u m pp r e s s u r i z eu n i t ， e s t a b l i s ht h ep e r f e c tc f da n a l y s i sm o d e la n dc a l c u l a t et h ei n t e m a lf l o wa n d o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t o p e r a t i o n a lm o d e t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nd i s p l a yt h a tt h ec u r v e so fs i m u l a t i o n sc h a n g e st r e n da r ec o n s i s t e n t w i t ht h ee x p e r i m e n t s a tt h ed e s i g no p e r a t i o n a lm o d e ，t h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta r ei nc o i n c i d i n g i fo u to fo p e r a t i o n a lm o d e ，t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sh i g h e rt h a ne x p e r i m e n t m e a n w h i l ed i s c u s st h ep u m p e f f i c i e n c y a n d p u t c o u n t e r m e a s u r e st ot h ef a c t o rw h i c hi m p a c t sp u m p e f f i c i e n c y b yt h i sw a yc a np r o v i d et e c h n i c a lr e s e r v e sa n df o u n d a t i o nf o rt h e m u l t i p h a s ep u m p sd e s i g ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：m u l t i p h a s ep u m p ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , c f d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 矽叼年j - 月西日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 聊年，月r 日 汐矽年r 月汐日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 引言 随着石油工业的发展，寻找石油的范围逐渐向偏远地区和深海区域发 展，这样传统的采油方式已不能满足原油开采的需要。由于这些区域的储 量和产量都很小，且含气量较高，为了降低开采费用、提高经济效益，一 般都采用气液混合输送的方式进行开采，直接将油井采出物增压，输送到 附近的油田或平台进行处理，这样以来用多相混输泵增压成了此类油田开 采的首选方式。目前多相混输泵在实际应用中也存在一些难以克服的缺点 ，具体表现为：多相混输泵不能同时满足气液两相对能量不同的需求； 不能同时满足气液两相对增压的不同需求；混输泵在工作过程中气液两相 容易在流道内发生气液两相分离的现象；并且多相混输泵也是一种低效的 水利机械。 油田产出液中，多数为气液固多相混合物，其中的游离气体会使泵的 工作性能降低，严重时会造成泵的排量中断。根据各油田地面油气比数据 的分析，随着油田的深入开发，尤其是高油气比区块，地层能量降低、油 层脱气，高含气井将不断增多，已成为制约油田开发生产的难题。目前， 常用于井下采油的装置多为电动潜油离心泵和螺杆泵，然而电动潜油离心 泵只适用于气液比范围比较小的油井，当含气率稍高时，泵的扬程和效率 显著下降，随着含气率的进一步增大，电动潜油离心泵就丧失正常工作的 能力；对于螺杆泵来说，虽然排量大，压力高，效率高，但是受螺杆衬套 的影响，不能用于深井作业，这样也就急需一种既能用于深井作业，也能 适用于高含气油井的多相混输泵。 井下螺旋式多相混输泵属于叶片式泵，由于其过流部分( 叶轮、导轮 和均化器等) 的结构特点与常规叶片式水力机械的不同，因此使该泵具有 泵与压缩机的双重特性。该泵不仅能够做到在井下入口高含气率( 2 0 5 0 ，短时可达1 0 0 ) 的条件下抽吸多相混合物，而且与其它类型的泵 相比，在泵入口含气率较高的条件下，仍具有较高的运行效率。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 课题的研究意义 研究井下螺旋轴流式气液混输泵的输送机理是进行气液混输泵设计 的第一步，在此基础上可以确定过流部件的设计思想。通过对气液混输泵 流道内介质流动的数值模拟分析，可以为气液混输泵的参数设计以及试验 研究提供理论依据。目前，国外对地面螺旋轴流式气液混输泵的内部流动 规律以及气液混输泵的研制开发方面的技术日趋成熟，取得了实质性的进 展；而国内在地面螺旋轴流式气液混输泵方面的试验研究还处于初期阶段， 还未有成熟的产品用于油田，所进行的螺旋轴流式气液混输泵的试验研究 还处于试验室初级阶段。由研究现状决定了我们也只能从试验着手，在建 立气液混输泵试验装置的基础上，分别以纯水，空气和纯水为试验介质， 系统地研究螺旋轴流式气液混输泵输送纯液以及气液两相介质的外特性 情况，为气液混输泵的进一步开发研制、完善和设计提供试验资料。因此。 开展对井下螺旋轴流式气液混输泵的试验研究，以缩短与国外先进水平 的差距显得尤为重要，对我国石油工业的发展也具有重大的意义。 气液混输泵试验台是研究多相流流动特性及多相混输泵外特性和内 部流动规律的基本装置，在多相混输泵的开发过程中，它主要用于对样机 的试验和验证；在产品泵的生产过程中，则用于进行测试，即对产品的技 术性能、指标进行校核。由于目前气液多相混输泵还处于开发、研制的初 级阶段，需要经过从设计到试验再至设计多次反复的过程，所以建立专门 的试验台进行试验研究是很有必要的。 数值模拟是进行气液混输泵研究的另一重要方法，由于试验花费高， 且周期较长，若每设计一套泵都要进行试验研究，会造成很大的浪费。为 此我们可以通过建立数值仿真模型来模拟试验，通过前期的试验来检验仿 真模型的正确性，通过修正模型，使它能够正确预测泵的外特性，能够为 今后气液混输泵的设计提供技术支持。 1 3 国内外的研究现状及发展趋势 由于多相混输系统在油气采输方面所表现出的巨大优越性，多相混输 泵和多相混输系统的研究开发现在已经成为一大热点。 据文献报道，八十年代后国外已开发研制出多种不同类型的多相混输 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 泵，按照使用场合的不同，分为陆上多相混输泵和水下多相混输泵；按照 工作原理的不同，又可分为旋转动力式多相混输泵和容积式多相混输泵， 前者包括螺旋轴流式多相混输泵、离心泵等，后者包括双螺杆泵、隔膜泵、 线性活塞泵、对转式湿式压缩机等t 2 , 3 1 。但经过广泛的现场试验并成功应 用于工业生产的主要有地面螺旋轴流式多相混输泵和双螺杆式多相混输 泵，这两种泵基本代表了多相混输泵目前的发展水平。 螺旋轴流式多相混输泵是用于多相混输生产的一项新技术，该技术 是结合了轴流泵和压缩机两者的工作原理及特性，在结构上介于两者之间 的一种新型多相混输泵。该种结构的泵由法国1 9 8 4 年创造发明以来，通 常称为“螺旋轴流式多相混输增压泵”，在国外最初主要用于地面油气混 输，其效果不但弥补了螺杆式油气混输泵的缺点，而且具有自身结构和性 能的优势。 因该技术对高含气流体具有极好的适应性，法国、挪威、意大利、 美国、德国、英国及日本等工业化比较发达的国家纷纷加入到其研究中来， 并使之在地面、水下油气混输领域得到了工业化应用。1 9 8 4 年1 月法国 道达尔、法国石油研究总院( i f p ) 和挪威国家石油公司s t a t o i l 三方合 作，投巨资研发“海神”系列螺旋轴流式多相混输泵，1 9 8 7 年研制出工 业用样机泵p 3 0 0 ，1 9 9 1 年，p 3 0 0 型工业样机安装在突尼斯陆上油田进行 试验，1 9 9 2 年海神泵的研制者将其水力设计技术转让给挪威的f r a m 0 和法国的s u l z e r 泵公司f 4 】。1 9 9 4 年，挪威国家石油公司在其所属的北 海g u l l f a k sa 平台安装使用p 3 0 1 型地面螺旋轴流式多相混输泵，这标志 着“海神”工程长期开发计划进入了工业化阶段。p 3 0 2 型多相泵1 5 川也是 在p 3 0 0 型多相泵的基础上开发出来的，1 9 9 4 年6 月至1 9 9 5 年6 月，一 套撬装p 3 0 2 型多相泵在法国p e e o r a d e 陆上油田进行了耐久性试验1 7 。此 后，螺旋式多相混输泵被应用于多项海底增压混输工程中，如挪威f r a m o e n g i n e e r i n g 制造的液力驱动的海底增压站s m u b s 和电力驱动的 e l s m u b s ，m o b i l e 和f r a m oe n g i n e e r i n g 合作开发的m e p s 工程，法国石 油研究院研制的n o m a d 采油系统等。与此同时，意大利的a g i p 、n u o v o p i g e o n 和s n a m p r og e t - u i 公司，美国的w e i r s 有限公司和a b b 集 团，德国的b o m e m a n n ，英国的b h r a ，挪威的f r a m o 等公司也纷纷加入 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 到螺旋轴流式多相泵的研制、开发和现场试验的行列中来。 九十年代以来，我们国内也开始了地面螺旋轴流式混输泵的研究工 作。清华大学、中国石油大学也研制出了混输泵样机，取得了阶段性的研 究成果；甘肃工业大学对泵流道内的流动情况进行了数值模拟。中国石油 大学1 9 9 6 年起以螺旋轴流式多相混输泵作为研究目标，从输送机理及结 构设计、性能预测和内部能量交换、试验研究三个方面开展了油气多相混 输泵的研究工作，到2 0 0 3 年，先后完成了3 代原理机的性能试验研究， 在叶片的选型、扬程的估算、性能预测模型的建立以及内部流动规律研究 方面都取得了一定的进展，其理论研究与设计方法的探讨都取得了阶段性 成果。 由于多相流在泵内的运动十分复杂，至今很难用解析的方法精确得到 泵在不同工况条件下的运行特性，所以多相泵的试验研究至关重要。目前 关于多相泵的试验研究工作主要集中在三个方面：对已有泵型在气液两相 输送条件下的性能进行试验研究；对泵内稀疏流场中气泡轨迹的试验研 究；对新近开发研制的气液多相混输泵进行室内试验和油田现场试验。由 于受试验条件和测量技术的限制，泵内多相流体的流动状况目前还无法通 过试验准确得到，但泵在不同工况下输送多相流时的特性基本可以获得， 并用以考察泵的设计优劣及指导泵的进一步优化设计，国内外在这方面都 作了不少的工作。 中国石油大学对自己研制开发的三代螺旋轴流式多相混输泵样机进 行了特性试验研究，研究情况如下i s , g ：第1 代多相混输泵证明了螺旋轴 流式多相混输泵可以用于油气两相输送，并对所输送介质进行了增压，摸 索到了气液混输的试验方法，并建立了较为实用的试验装簧；第1 i 代多相 混输泵探索螺旋轴流式多相混输泵过流部件的水力设计方法；第1 i i 代多相 混输泵是在前两代多相混输泵的基础上，根据油田油井的具体情况确定设 计参数，设计出来的新一代多相混输泵。 以上研究都是针对井上即海底和陆上多相混合物的输送，而采油用的 井下驱动螺旋轴流式多相混输泵的研究开发工作，除中国石油大学( 华东) 机电工程学院对该种泵在结构和特性方面进行了一定理论和实践研究之 外，至今在国内尚无这方面的具体报道。 4 中国石油人学( 华东) 硕十论文第1 章前言 1 4 两相流动理论的研究及发展 在两相流领域中目前应用的理论模型主要有两类【9 】：一类是只把流体 当作连续介质，而把颗粒或气泡群体作为离散体系，深入探讨颗粒动力学 或颗粒运动轨迹；另一类把颗粒群当作拟连续介质或拟流体看待，假定拟 流体在空间中有连续的温度、速度分布和等价的输运特性。其相应的理论 是宏观连续介质理论与颗粒动力学理论。 早期的研究主要有【l0 】：四十年代末t c h e n 从研究单颗粒运动入手，建 立了低浓度的两相流动模型。五十年代均质两相流及溶液模型进一步发 展。从六十年代开始，连续介质理论成为两相流研究的主体，用动力理论 研究两相流动与连续介质理论的研究同时发展。七十年代以后，动力理论 的研究逐渐深入和完善】，建立了较完备的理论体系。近年来，国内外在 该领域的研究形成了众多学术观点，出现了很多理论、方法和数学模型【。 目前，连续介质理论在工程实际应用中占主导地位，动力理论尚处于 从理论探索向解决实际问题的发展之中，两种理论也在相互借鉴和融合 中。 连续介质理论的气液两相流体的流动模型主要经历了均相流模型一 分相流模型一漂移流模型一双流体模型的发展。均相流模型简单的将气液 两相流看作均匀的混合物，忽略了两相之间相互作用的许多影响因素，求 解结果存在较大误差，在均相模型中采用了两个基本假设：两相问处于 热力学平衡状态，即两相具有相同的温度并且都处于饱和状态：气液两 相的流速相等，即均匀流。分相流模型是将气液两相都当作连续流体分别 处理，并考虑了两相之间的相互作用。其基本假设是：两相间处于热力 学平衡状态：气液两相的速度为常量，但不一定相等。漂移流模型在均 相流模型的基础上，用漂移速度来定义两相之间的相对速度，考虑了流动 分布不均匀和相分布不均匀的影响，这一模型由于简单、物理概念清晰， 也比较成熟，有许多单相流体的研究方法可以应用，其精度在工程上可以 满足要求，因而在工程实际中己应用较多。双流体模型将气液两相流体单 独处理，均看作连续介质，而把两相界面看作一个运动的边界，同时考虑 两相之间的相互作用，这一模型的计算精度较高，但控制方程多，以致计 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 算时间长且计算结果不易收敛，但随着计算机技术的飞速发展，它逐渐成 为目前气液两相流动数值计算的趋向【1 3 1 6 。 当处理类似于均质流动这类相间流动特征差别不大的情况时，单流体 模型具有方程个数少，数值计算简单的特点。两流体模型因为能够深刻反 映两相间的相互作用与能量交换，因而适用的范围更宽些，所以投入的研 究也更多。在两流体模型的范畴内，如何处理两相间的作用，又派生出形 态纷纭的各种数学模型。 蔡树堂用雷诺平均方法建立了两流体的时间平均方程，并引用分子动 力理论的观点解释颗粒间的应力，讨论了压力问的分配问题。刘大有从不 同流动模型对压力相的定义入手，以动力理论的观点澄清了压力分配和相 间惯性耦合项的争论。在两相流动的数值计算方面，周力行采用两相流双 流体模型，气相湍流的k 一占模型及颗粒湍能k p 输运方程，对大速差射流 燃烧室内三维回流湍能气固两相流作了模拟。沈永明等用双流体模型加双 k 一占紊流模型，对油水两相浮力回流的紊流作了模拟【lo 】。 1 5 课题研究的主要内容 本文在广泛查阅国内外文献及油田调研的基础上，确定了以下研究内 容： ( 1 ) 设计、安装和调试井下螺旋轴流式气液混输泵输送气液两相介质 的试验台。 ( 2 ) 在完成上述试验台的基础上，进行螺旋轴流式气液混输泵在输送 气液两相( 水和空气) 介质时的外特性试验，从而研究外特性曲线的变化 规律。 ( 3 ) 在完成试验的基础上，运用f l u e n t 软件对气液两相介质在叶轮 内的流动情况进行数值模拟仿真，并分析泵能够输送大气液比介质的原 因。 在上述分析和试验研究的基础上，进一步讨论井下螺旋轴流式气 液混输泵的效率问题。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 第2 章多相混输泵试验台架的设计 多相混输泵试验台是研究多相流流动特性及多相混输泵外特性和内 部流动规律的基本装置，在多相混输泵的开发过程中，它主要用于对样机 的试验和验证；在产品泵的生产过程中，则可用于进行测试，即对产品的 技术性能、指标进行校核。由于目前油气水多相混输泵还处于开发、研制 的初级阶段，需要经过从设计到试验再到设计的多次反复过程。本章为了 开展多相混输泵的试验研究，考察多相泵的外特性情况，设计建立了一套 可进行纯液以及气液混合输送的外特性测试试验台架，包括外特性测量和 内部流动测试。 2 1 多相混输泵试验台架总体设计思想 井下螺旋轴流式气液混输泵是从油井直接采出未处理的气液混合物， 它既可以处理全液流体，也可以处理含气率范围非常大的混合物，而且在 气液比变化的同时，仍具有较高的效率和增压能力。为此试验台架必须具 有流量可调节的气体源和液体源，并采取气液两相分别计量的办法来测量 各相的流量，同时还应能对气液两相的流动特点进行观察。气体的流动状 态、沿叶轮与导叶的变化以及气液混合的情况，对泵的流场计算和外特性 的预测至关重要，应采取措施予以确定【1 7 】。为了考察转速对泵增压能力的 影响，动力轴转速应可调，为此采取调速电机来实现调速。 2 2 多相混输泵试验台架的特点 和离心泵、轴流泵试验装置相比，由于多相混输泵输送介质多为气液 两相甚至多相，因此多相泵试验台架的设计具有自身的特点，主要有以下 几点 1 8 , 1 9 ： ( 1 ) 泵输送介质决定了试验台架应具有独立的液相管路和气相管路， 为了得到不同工况下的含气率，气相和液相的流量应易于调节。 ( 2 ) 为了改变多相泵的吸入状态，考虑配置液相增压装置。 ( 3 ) 本系统设计安装有气液混合装置，以便于气液混合物进入多相混 输泵前能够充分均匀混合，避免段塞流对多相泵造成的冲击，有利于多相 泵稳定高效运行。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 ( 4 ) 多相泵在输送气液混合物时，含气率的突然增加，段塞流的发 生，以及多相泵的短时间干运转等工况均不可避免，有可能造成泵效率 和扬程的大幅度下降，导致泵运行不稳定，产生断流和机械故障。为使多 相泵在恶劣的油田现场运行中保持良好的工作性能，必须设计专门的缓 冲和均化装置。 ( 5 ) 为了考察在不同转速下多相泵的运行特性以及多相泵内部流动 的相似性，动力驱动系统应具有变速的功能。在多相泵的实际应用中，随 着井口流体状态的变化，为了保持相对稳定的增压值应不断调整泵轴转 速。 ( 6 ) 为了进行多相泵的外特性试验，研究多相泵的机理和内部流动状 况，多相泵试验台系统上测试的外特性物理量包括：气液两相流量，泵进 口压力，出口压力，混合前气体压力、温度，混合后混合物温度，泵轴转 速及扭矩，进1 3 状态下气体体积流量。其中流量，进口压力，出口压力， 扭矩，转速等物理量为在线测量，进1 2 1 状态下体积含气率通过计算得到。 气液两相的相界面不断变化，甚至可能出现流态变化，具有明显的动态特 性，为了记录这些动态测量结果，应采用数据采集系统来实时在线测量这 些动态信号。 2 3 试验台架的试验范围 多相混输泵试验台由功率为7 5 k w 的交流电动机驱动，采用了变频调 速的方法来进行调速，以满足不同工况的需要。本试验台可以用来进行气 液混输泵水力特性的测试、泵级能量平衡试验以及气液两相介质的输送 试验。本文主要用来进行井下螺旋轴流式气液混输泵输送气液两相介质的 外特性试验。多相混输泵试验台的主要技术参数如表2 1 所示。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 表2 - 1 多相混输泵试验台的主要技术参数 驱动电动机的额定功率( k w ) 7 5 泵轴转速( r m i n )o 4 5 0 0 ( 可调) 进出口处液相的体积流量( m 3 h )o 2 0 进口处气相的体积流量( m 3 h ) o 1 2 5 泵进口压力( m p a )0 o l o 5 泵出口压力( m p a ) o 0 l 2 0 住纯液丁况- 卜的试验介质是纯 水；在进行气液两相混合输送时 试验用介质 的介质是空气和纯水。 2 4 试验台架设计 泵装置按循环管路系统分为开式系统和闭式系统两种【2 0 j 。它们的主要 区别是：闭式试验台中的流体与外界空气隔绝，单独构成封闭循环系统， 受外界的影响较小，试验精度较高。而开式试验台的上、下游水面畅开， 试验时水由水箱经入口阀门和吸入管路进入试验泵；泵的出水经流量计、 出口阀门流回水箱。开式试验台结构简单，使用方便，散热条件和稳定性 好【2 “。井下气液混输泵应在闭式试验台上试验为佳，因为在试验过程中， 当含气量增大时，虽然混合器压力升高，但是进口有压力，不会产生断流 现象，这样可以测出最大含气率。但受试验条件的限制，为了便于操作和 节约成本，在满足试验要求的前提下，本试验台采用了开式系统。在进行 气液混合输送试验时，为了解决气相和液相在进入混合器前压力的匹配问 题，在液相管路需要安装增压泵。 多相混输泵试验台架如图2 1 所示，整个试验台架由液相管路部分、 气相管路部分、气液混合部分、泵级部分、排出管路部分、测试仪器部分、 调节部分、动力部分和数据采集部分组成。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 图2 1 试验台架简图 1 一支架；2 一扭矩测量仪及频闪测速仪；3 一电动机；4 一联轴节；5 、9 一不同量程 的压力传感器及显示仪表；6 一透视窗；7 一泵级；8 一固定泵级螺栓；1 0 - - 摊出管线； 1 1 一排出闸门；1 2 一标定箱；1 3 一回水管路；1 4 ，3 6 一大小普通闸阀；1 5 一水箱； 1 6 一水箱放水闸门；1 7 一水箱支架；1 8 一吸入闸阀；1 9 一观察短节；2 0 一液相增压 泵；2 l 一涡轮变送器及显示仪表；2 2 一混合器放空闸阀：2 3 、2 5 ，2 7 一温度传感器 及显示仪表：2 4 、2 6 、3 3 一不同量程的压力表；2 8 一混合器放水闸阀；2 9 一气液混 合及缓冲罐；3 0 一进气管线及单向阀；3 卜一空气压缩机及气体缓冲罐；3 2 一调压闸 阀；3 4 一气体调节器：3 5 一大小量程气体转子流量计 ( 1 ) 液相管路部分 整个试验系统用一个约5 m 3 的水箱作为液相源，并且在水箱上部装有 标定箱，用于测量多相泵出口液相的体积流量。由于两相流量混合测量的 方法还不成熟，在进行气液两相混合输送时，用标定箱测量出口的液相流 量可以避免不必要的麻烦。在液相管路还装有增压泵，用于在进行气液两 相混输时，改变多相泵的入口状态。 ( 2 ) 气相管路部分 气体源由2 v o 6 7 型移动式空气压缩机提供。压缩机排气量 o 6 m m i n ，额定压力7 k g n c m 2 ，外形尺寸1 5 x o 6 x l m ，型式单级风冷 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 移动式，轴功率4 5 k w ，转速1 2 0 0 r r a i n ，总重量2 2 0 k g 。试验时由空 气压缩机排出的气体进入储气罐稳压，然后气体由储气罐经过气体流量 计，在气液混合器均匀混合后进入多相混输泵，最后由水箱上方排入大气。 为防止气液两相压力不匹配而产生倒罐，气相管路中配有单向阀。多相混 输泵进口处气体体积流量通过进口处的闸阀来调节。 ( 3 ) 气液混合部分 在进行气液两相混合输送试验时，气液混合装置能够缓冲突变载荷， 减轻轴承和密封的载荷，改善混输泵的进口工况，降低因含气率的突变造 成的冲击，应使气液两相均匀混合后进入多相混输泵，因此在多相泵入口 处设计安装了气液混合装置( 如图2 2 所示) 。气液混合装置内部由外径 6 m m 的紫铜管弯成螺旋型并固定在中心，在紫铜管上每隔l c m 钻有直径 为l m m 的小孔，该气液混合装置采用了多点混合的方式，能够将气液两 相均匀混合后导入泵级入口。 气板棍台物十 型斓 _ 一 1 - | - 爨熟蠹。溺 崩i 搦l门剽 图2 - 2 气液混合装置 ( 4 ) 泵级部分 泵级部分包括试验用泵级、联轴节以及相应的传动轴和轴承座组成。 为了模拟多相泵在油井中的实际工作条件，试验用泵级采用了垂直安装的 方式。各泵级和进出1 2 1 短节由三个固定泵级螺栓固定，泵级的传动轴通过 联轴节与电动机传动轴相接，电动机传动轴两端由轴承固定在支架上。 ( 5 ) 排出管路部分 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 排出部分由排出管线、排出闸阀、水箱和回水管线组成。排出闸阀用 来调节多相混输泵的工况点，水箱中间装有隔板，用来分离由多相泵排出 的气液混合物，从而保持流态稳定。由于本试验台架是个开式装置，分 离出来的气体直接进入大气，而液体则通过液相管路部分重新进入多相泵 中循环使用。在水箱后装有观察短节用来检查吸入管流中是否含有气体， 以免影响试验的精度。 ( 6 ) 测试仪器及数据采集部分 流量测量：由于目前多相流量混合计量的方法尚不成熟，应采取气液 两相分别计量的办法来避免两相流量混合计量的麻烦。虽然已经有一些可 以直接用于多相流量计量的设备，如超声波、电磁法等f l ”，但是价格较高 精度又难以保证。本次试验采用气液两相分别计量的方法。液体流量测量 选用了l w 型涡轮变送器，涡轮变送器的输出信号经标定后引至x s f - - 4 0 型流量指示积算仪。气体体积流量采用l z b 型玻璃转子流量计，使用前 进行了相关标定。其中，l w 一4 0 型涡轮变送器的流量范围3 2 2 0 r n 3 h ， 工作压力1 6 m p a ，涡轮流量计常数为7 7 7 0 7 ，精度0 5 级；l z b 型玻璃 转子流量计流量范围分别为0 2 5 2 5m 3 h 和1 6 1 6m 3 h ，精度为1 5 级。 多相泵进出口压力测量：因为在大流量时，多相泵入口为真空状态， 而当流量较小时又可能出现高于大气压的情况，当输送介质为气液两相流 体时，进口压力较高，为此采用了压力传感器测量泵入口压力。多相泵出 口压力较高，采用了测量范围较大的压力传感器测量。由于玻璃转子流量 计的特殊性，要想确定气体的质量流量，必须在转子流量计附近安装压力 传感器进行测量。其中，压力传感器型号分别为b p 9 3 2 5 、b p 9 3 5 6 、 b p 9 3 8 5 a ，二级显示仪表为b p y i a 型数字显示压力仪表，精度0 5 级。 转速测量：转速用扭矩转速仪测量。 扭矩测量：扭矩采用扭矩传感器进行测量。 温度测量：由温度传感器测量得到。 ( 7 ) 动力部分 试验用多相混输泵由一个额定功率为7 5 k w 的电动机驱动，额定电 压3 8 0 v ，额定电流1 4 3 a ，主轴转速2 9 0 0 r m i n ，效率8 8 5 ，并且系 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 统采用变频器来实现电机的调速，通过改变频率，使电机转速在 0 - - 4 5 0 0 r m i n 范围内实现调速。 ( 8 ) 调节部分 液体流量调节通过多相泵出口处控制流量的闸阀和进口调节闸阀以 及旁路系统实现；气体流量通过安装在气相管路上的闸阀调节，为了控制 多相泵进口气体压力，在气体管路中装有调压闸阀。两相混合物流量通过 排出管路上的闸阀和控制气液两相混合前流量来实现。 2 5 试验台架设计需要考虑的几个问题 2 5 1 试验台固定泵级的台架结构 试验台固定泵级的台架结构如图2 3 所示。 图2 3 试验台架的结构图 本试验台架主要由钢板和槽钢焊接而成，试验台架的台面为长度宽 度厚度为6 0 0 m m x 6 0 0 m m x l s m m ，中间开有直径为1 5 5 m m 的大孔和 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 六个直径为2 0 的小孔均布。四根槽钢支腿与上台面牢固焊接，槽钢的结 构尺寸内槽宽为l l o m m 。总宽为1 2 0 m m ，两壁厚均为5 m m ，槽底厚度也为 5 m m ，总长为7 5 0 m m 。每根支腿的底部均焊接有长度x 宽度x 厚度为 1 2 0 m m 1 2 0 m m x 5 m m 的钢板。两只支腿间用长度宽度厚度为 4 5 0 m m l o o m m x l o m m 的钢板焊接连接。 2 5 2 泵级压紧装置的设计问题 在螺旋轴流式气液混输泵中，导轮是叶轮的支承部分，所以在组装混 输泵时必须把多级导轮压紧，使之成为一个整体。其目的是 2 2 1 ：一方面防 止导轮止口连接处有间隙，泵在工作中产生高扬程时，造成导轮之问形成 环流，降低泵效和扬程，影响泵的工作性能：另一方面使多级导轮成为一 个固定的整体，提高扶正叶轮效果，防止因导轮的松动而引起振动和磨损。 通常在泵的整机安装过程中，泵级的压紧装置即试验采用的上接头总 成与泵壳之间采用螺纹的方式连接。一般说来，在将导轮压紧后，压紧装 置的螺纹端面距泵壳端部尺寸应该大于6 5 m m ，这种方法压紧导轮的拧紧 力最好采用机械控制。在试验过程中，采用了特殊的上接头总成如图2 - 9 中6 所示以及三个固定泵级的螺栓来压紧各级导轮，这种压紧方式操作简 单、容易安装、易于调节。调整套筒4 的作用是调整最后一级导轮至上接 头总成的距离传递压紧力。在每节泵中，装配情况不同，调整套筒的长度 也各不相同，视具体情况可在上接头与泵壳连接处加调整垫片。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 图2 - 9 导轮压紧装置示意图 l 一叶轮；2 一压紧螺栓；3 一导轮；4 一调整套筒；5 扶正套； 卜上接头总成；7 一陶瓷衬套；8 轴套；卜泵轴 2 5 3 泵轴扶正问题 泵轴是用来传递扭矩的，它将来自电机的扭矩通过方键传递给泵内的 每一级叶轮，同时传递给上一节泵。由于每节泵叶轮、导轮级数很多，所 以泵轴又细又长且在泵轴上有一条通长的键槽。由于泵轴细而长，而传递 的功率比较大，以及在工作状态下扭转角比较大，因此泵轴的材料不但要 有较高的强度，而且要求有比较好的塑性和韧性。同时泵是浸没在井液中 工作，泵轴与多种零件配合，所以要求泵轴的材料还应具有较高的耐腐蚀 性。目前的潜油泵轴均采用蒙乃尔k - - 5 0 0 ( m o n e l - - 5 0 0 ) i t i i j j 告 2 2 1 。蒙乃尔 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 k 一5 0 0 属于高强度、耐腐蚀材料，这种材料的抗拉强度为9 6 0 m p a ， 屈服强度仃。为6 8 6 m p a ，硬度为h b 2 6 2 3 1 0 ，冲击韧性= l o o d c m 2 ， 延伸率艿= 2 8 。 一般来说每节泵要安装几十级或几百级叶轮，这些叶轮在同一根泵轴 上高速旋转，为保证多级叶轮回转的同轴度，不但要求泵轴自身有比较高 的回转精度，而且还需考虑泵轴的扶正问题。若泵轴扶正问题不能解决， 会使叶导轮随泵轴一起旋转的过程中产生偏心运动，加大叶导轮之间以及 泵轴与叶轮之间的摩擦，降低叶导轮与泵轴的使用寿命，影响泵的效率， 严重时会使叶导轮之间发生摩擦焊，致使电动机发热严重而烧坏。为此， 在上下接头总成中设计了专用的扶正装置如图2 - 9 中5 和图2 1 1 中3 所示。 在试验过程中为了防止泵轴的磨损，扶正装置材料选用了较软的锡青铜， 但是发现使用寿命较短。为了延长泵轴和扶正装置的使用寿命，对扶正装 置的设计和材料的选用进行了改进。在以前设计的基础上，在扶正装置内 加一个陶瓷衬套7 ，陶瓷衬套与扶正装置之间采用过盈配合，这样不但可 以起到保护泵轴的作用，而且由于陶瓷材料的耐摩性，可以延长使用寿命。 2 5 4 密封问题 密封装置是用来防止液体泄漏的机械机构，密封结构的设计种类繁 多，所采用的密封原理也是多种多样，密封可以分成两大类：静密封和动 密封，具体分类如图2 1 0 所示1 2 2 1 。 1 6 中国石油人学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 密封 f 垫片密封 静密封 密封剂密封 l 直接接触密封 动密封 往复轴密封 薹鍪委篓封 旋转轴密封 面接触密封 轴向密封( 机械密封) 径向密封 唇形密封 填料密封 剖环式密封 毡圈密封 图2 1 0 密封的分类 ( 1 1 轴端密封 泵轴穿过泵壳的动、静之间有问隙存在，泵内液体会从间隙中泄漏至 泵外。如果泄漏出的液体有毒、有腐蚀性，则会污染环境。倘若泵吸入端 是真空，则外界空气要漏入泵内，严重威胁泵的安全工作。为了减少泄漏， 一般在动、静问隙处装有轴端密封装置。目前采用的轴端密封装置有填料 密封、机械密封、浮动环密封及迷宫密封等。 填料密封在泵中应用得很广泛，考虑到试验的可行性，我们采用了填 料密封，密封结构如图2 - 11 所示。正常工作时，填料由填料压盖l 压紧， 充满填料腔室，使泄漏减少。由于填料2 与轴套3 表面直接接触，因此填 料压盖的压紧程度应该合理，如压得过紧，填料在腔室中被充分挤紧，泄 漏虽然可以减少，但填料与轴套表面的摩擦迅速增加，严重时发热、冒烟， 甚至使填料、轴套烧坏；如压得过松，则泄漏增加，泵容积效率下降。填 料压盖的压紧程度应该使液体从填料函中流出少量的滴状液体为宜l ”j 。 封 封密封封密流密密套磁渡宫衬铁嚣迷 ，_t，l 封密触接非 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 图2 1 1 填料密封结构 l 一压盖；2 一填料；3 扶正套筒：4 泵轴 ( 2 ) 管道联接密封 管道在试验过程中主要承受流体的静载荷，为此我们采用了垫片密封 方式。制造垫片的材料多种多样，代表性的主要垫片材料有：石棉、塑料、 弹性体材料、金属和这些材料的组合物。为了形成符合要求的密封，垫片 必须与联接件的接触面相适应。 当管道处在操作条件下时，流体静压力使密封面趋于分离，并迫使螺 栓伸长，结果使得作用在垫片上原有的密封接触压力降低，最后出现泄漏。 因此垫片设计应该是通过对内部压力、由螺栓力产生的垫片接触压力和垫 片材料进行权衡所取得的结果。为了防止垫片密封结构产生泄漏，都需用 螺栓力压缩垫片材料，以使垫片把接触面的凹坑填满。只有当垫片材料确 实把密封接触面的所有凹坑都填满时，才能防止泄漏。因此，垫片材料在 良好的密封装置中起着非常重要的作用。考虑到静压力不是太大，选择了 能够满足使用要求的石棉垫片。 ( 3 ) o 形密封圈密封 0 形密封圈的功效来自它的出色的变形复原性。一旦被压缩，o 形密 封圈总是趋于恢复其原来的截面，从而产生自动的压紧力效应。围绕于使 用状态的o 形密封圈的外壳任何变形都为0 形密封圈材料的自行移动所 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多相混输泵试验台架的设计 补偿，直到初始的压缩效应被消除为止。在丧失变形复原性或初始的压缩 后，o 形密封圈便失去密封作用。o 形密封圈在压缩状态下易于“流动”， 并将接触面上所有的凹处填满，从而能以很小的接触力形成紧密的密封 阱j 。 橡胶0 形密封圈是不可压缩的，因此在被压缩时其体积保持不变， 仅改变其形状。在压缩率不超过原截面的1 5 2 0 时，可以获得最长 的使用寿命。因此，必须采用矩形槽，其深度相当于处于压缩状态时的o 形密封圈的高度，而宽度则应大于处在压缩状态下的o 形密封圈的宽