双螺杆油气混输泵特性分析.pdf

2 O1 2伍 第 6期 第 4 1 卷 第 1 4页 石油矿 oI L FI ELD 场 机 械 E QUI P MENT 2 0 1 2 ， 4 1 6 1 4 ～ 1 6 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 2 0 6 0 0 1 4 0 3 双螺杆油气混输泵特性分析 梁光川 ， 程 圆晶 ， 廖 冲春。 ， 马培红。 ， 赵毅。 1 ． 西南石油大学 石油工程学院 ， 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 中国石油集团 工程设计有限责任公司， 成都 6 1 0 0 1 5 ； 3 ． 中国石化集团 西北油 田分公司 工程院 ， 乌鲁木齐 8 3 0 0 1 1 摘 要 总结 国 内外 双螺杆 泵特 性研 究成果 ， 并分 析各 类 实测性 能曲线 。其 回流增压 特性 利 用 了气体 的 可压 缩性 来提 高泵 的容积 效率 ， 回流损 失和 容积 效率是 该泵 流量特 性的 关键指 标 ， 主要 受泵 内间 隙尺寸 和运行 参数 的影 响 。压 力 差 、 含 气率 、 转速 等运行 参数 对容积 效率 的影响较 复 杂 。容 积腔 内 压 力 沿螺杆逐 渐升 高， 对 于单 相流 ， 各容 积腔压 力 线性 递增 ； 含 气率越 高 ， 出 口端压 力梯 度 越 大 ； 泵 轴 功 率不 受含 气率的影 响 。泵效 随转速 的升 高 而升 高 ， 随 含 气 率升 高 而降低 。粘度 增 高时 泵 的轴 功 率和 容积 效率会提 高 。 水 力损 失会 增加 ， 泵效 的 变化 需要 试验 确 定。研 究结果 对泵 的选 用与运行 维 护具 有指 导意 义 。 关 键词 双螺 杆 泵 ； 特性 分析 ； 容积 效率 中图分类 号 TE 9 3 3 ． 3 文献标 识码 A Ch a r a c t e r i s t i c Ana l y s i s o f Twi n S c r e w M u l t i ph a s e Pu mp LI ANG Gu a n g c h u a n ， CHE NG Yu a n 一 i n g ～， I I AO Ch o n g ～ c h u n 。 ， MA Pe i h o n g 。 ， Z HAo Yi 。 1 ． Pe t r o l e um Engi n e e r i ng I ns t i t u t e， Sou t hwe s t Pe t r o l e um Uni v e r s i t y， Che n gdu 61 05 00， Chi n a； 2 ． Engi ne e r i n g De s i gn Co．， Lt d．， CNPC， Che n gdu 61 0 01 5， Chi na； 3 ． En g i n e e r i n g De p a r t me n t ， No r t h we s t Oi l fi e l d Co mp a n y， S i n o pe c ， Ur u mq i 8 3 0 0 1 1， Ch i n a ． Ab s t r a c t Thi s pa p e r c o ns i s t wi t h r e s e a r c h a c hi e v e me n t s a bo ut c h a r a c t e r i s t i c s t ud y o f t wi n s c r e w pu m p a nd a va r i e t y o f p e r f o r ma nc e c u r ve s o f t wi n s c r e w p ump． I t s ba c k f l o w b oo s t pr e s s u r e c h a r a c t e r t a ke s a dv a n t a g e of t h e c o m p r e s s i b i l i t y o f ga s t o i nc r e a s e t he v ol u m e t r i c e f f i c i e n c y o f t he pu m p ．Ba c kf l ow l o s s a n d v o l ume t r i c e f f i c i e n c y a r e p i v o t a l i n de x o f di s c ha r g e c h a r a c t e r i s t i c ， t h e y a r e a f f e c t e d by i nn e r ga p s i z e a nd op e r a t i ng p a r a me t e r s ． I t i s c o mpl e x t ha t d i s c ha r ge p r e s s ur e a nd GVF a n d r o t a t e s pe e d， e t c， e f f e c t t he vo l u m e t r i c e f f i c i e nc y ． The c u ba g e p r e s s ur e i nc r e a s e s gr a d u a l l y a l on g t he s c r e ws ． Fo r s i n gl e ph a s e f l o w ， t he pr e s s u r e i nc r e a s e s pr o gr e s s i v e l y a n d l i n e a r l y ．The p r e s s u r e g r a di e nt o f e x i t e nd g oe s up wi t h t he GVF i nc r e a s i n g． Sha f t p owe r of t he pu mp i s n’ t a f f e c t e d b y t he GVF． Pump e f f i c i e nc y i nc r e a s e s wi t h t he r o t a t e s p e e d de c r e a s i n g a nd d e c r e a s e s wi t h t h e GVF i nc r e a s i n g． W h e n v i s c os i t y i n c r e a s e s t h e s ha f t po we r a nd v ol u m e t r i c e f f i c i e nc y a nd h y d r a u l i c l o s s wi l l i n c r e a s e a n d t h e c h a n g e o f p u mp e f f i c i e n c y n e e d t o b e c o n f i r me d b y e x p e r i me n t s ． Thi s s t ud y ha s a g r e a t me a ns t o s e l e c t a nd ma i n t a i n t he t wi n s c r e w p ump． Ke y wo r d s t wi n s c r e w pu m p； c h a r a c t e r i s t i c a na l y s i s； v o l u me t r i c e f f i c i e nc y 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 1 9 基金项 目 国家重大专 项 “ 塔 里 木盆 地大 型碳 酸盐 岩油 气 田勘 探开 发示 范 工程” 专 题 四 超稠 油集 输 与处 理技 术 配套 20 0 8ZX05 0 49 作者简介 梁光川 1 9 7 2 一 ， 重庆人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要从事油气储运方面的教学和研究 工作 ， E ma i l l g c d j r 1 6 3 ． c o rn。 第 4 1 卷第 6期 梁光川 ， 等 双螺杆 油气混输 泵特性分析 双螺 杆油气 混输 泵是 1种集 压缩 机和 液体泵 的 性能 于一 身 的多 相 流 增 压 装 置 。在 油 田集 输 系 统 中 ， 常用 于将油 井 采 出的 油 气 水 多相 流 输 送 至较 远 的接转 站或联 合站 ， 以降 低井 口压力 ， 增加 产量 。国 内外试 验测试 及油 田使 用情 况 表 明 ， 双 螺 杆泵 作 为 出色 的多相泵 具有 2个 优点口 ] 1 对任 意气 液 比的多相 流体 ， 高凝 固点 、 高粘 度流体都有较好 的增压效果 ， 适用工况 流量 1 0 ～ 1 0 0 0 m。 ／ h， 压力 0 ～1 0 MP a 。 2 集压 缩机 和 液 体 泵 的性 能 于 一 身 ， 省 去 了 站场分离设备和管道投资， 提高了边远油 田、 卫星油 田的经 济开采 性 。 随 着 双螺 杆 泵 的广 泛应 用 ， 国 内外 学 者 已开始 全 面研究 泵 的相关 特性 。E g a s h i r a 建 立 了 回流量 的 数 学模 型口 ] ， 用 以分 析 回流 量 与压 差 、 含气 率 、 转 速 的关系 ； 曹锋等建立 了内部工作机理数学模型l 4 ] ， 用 以分析流量 、 功率 、 效率、 内部压力变化规律以及它 们 与 含气 率 、 压 差 、 进 口压 力 、 转 速 的关 系 。以上 模 型均较 复杂 ， 不 易于设计 选泵 和指 导泵 的运行 管理 。 本 文 主要分 析双 螺杆泵 宏观 特性及 各特性 与其 影 响 因素 间 的关 系 ， 为集 输站 场 选 泵 和泵 的运 行 维 护提 供参考 。 1 双螺杆泵回流增压机理 双螺杆泵依靠螺杆相互啮合而形成的工作密封 腔的周期性变化来输送流体 。密封腔内的流体随密 封线向排出端匀速移动 ， 沿流体运动方向， 各工作腔 内压力逐渐上升 ， 高压腔内流体在压差作用下 ， 分别 从齿顶 间隙 、 接触 线 间 隙 和泄 露 三 角形 区域 向前一 级低压腔回流。回流使得低压腔内气体被压缩 ， 压 力升高 ， 起 到 了增压 效 果 。 回流 损 失使 得 泵 实 际 流 量小于理论流量 ， 但双螺杆泵利用了气体 的可压缩 性， 成功地降低了回流损失 ， 提高了泵的容积效率。 2 流量特性 泵 的实际流 量 Q 可 表示 为 Q l QT HQB 1 式 中 ， Q 为理论 流量 ， m。 ／ s ； Q 为 回流损失 ， m。 ／ s 。 理论流量 Q w 可从螺杆 的内部结构计算获得 ， 它与 螺杆 型线 、 螺杆导 程及 螺杆直 径有 关 ， 计 算式 为 R 2 r ， ， QT H一 n 2 1U 式中， B为螺杆直径， mm； L为螺杆导程 ， mm； 为修 正系数 ， 随螺杆结 构不 同而不 同 ； 为转速 ， r ／ mi n 。 3 回流损失和容积效率分析 由双 螺杆 泵 增 压机 理 和流 量特 性 分 析 可知 ， 回 流不仅 微观 的影 响泵 内压 力 分布 ， 对泵 的宏 观 流量 特 性也 有较 大影 响 。 影 响泵 内 回流的 因素分 为设备 的物 理 因素和运 行 参数 两 方 面 。设 备 的物 理 因 素 主 要 是 指 齿 顶 间 隙 、 接触 线 间 隙和 泄 露三 角形 的 尺寸 3 ] 。间 隙 尺 寸 越 大 ， 回流量 越大 。 影 响 回 流 的 运 行 参 数 主 要 包 括 压 差 、 含 气 率 GVF 、 转 速 、 液 相 粘 度 等 。运 行 参 数 对 螺 杆 泵 回 流量及 容积 效率 的影 响主要有 5 个 特点 1 对 于 单 相 流 GVF一0 ， 转 速 对 回 流量 Q 影响较小 ， 即转速越高 ， 容积效率越高 ； 对于多相 流 ， 转 速越高 ， 回流量 Q 越小 ， 容 积效率越 高 。 2 压力差增加， 回流量增大， 容积效率降低 。 但文献[ 5 ] 通过实验 曲线证实 了螺杆泵在高含气率 时 GVF 8 0 ％ ， 泵 的液 相 流量 基 本不 随压 力 的增 加而 改变 。 3 含 气率 对 容积 效 率 的 影 响 比较 复 杂 ， 与 压 力差和 G VF值的区间相关 ①泵压差较大时， 含气 率 G VF越高， 容积效率越高； ②泵压差较小 压力 负载率不高 时， 容积效率随 GVF的变化如下 当含气率 G VF％K 时， 容积 效率随着 G VF 的增 加 而增 加 ； 当 含气 率 GV FK 时 ， 因气 相 从 螺杆间隙中产生 回流 ， 容积效率 随着 G VF的增加 而减 小 。 K 为一 临界值 ， 根 据 泵 型号 参 数 和 运行 工 况 的 不同而变化 ， 临界值 K与转速和压力差均成正 比。 4 液相粘度增大时回流损失减少 ， 容积效率 增加 。 5 沿螺杆有足够 多的基元容积腔时 ， 泵的吸 入端 可能 就不存 在 回流 ， 此 时泵 吸 入 端 的流 量 与 泵 的 压 差 无 关 。 因此 ， 容 积 腔数 目越 多 ， 泵 额 定 压 力 越 高 。 4 压力特性 双螺杆泵 回流增压机理使得沿螺杆分布的工作 腔内压力累进升高， 在出 口端升高较 快。沿螺杆方 向的压力 分配 可表示 为 3 ] 。 二垒 一r ] r P d P L N l 式 中 ， P 为 螺 杆 上 某 处 的压 力 ， P a ； P 为泵 进 口压 力 ， P a ； P 为泵出口压力 ， P a ； i 为吸气侧到螺杆长度 石油 矿 场机 械 2 O l 2年 6月 方 向某处间的工作腔数 ； N 为螺杆长度方 向上总工 作 腔数 ； y为参 数 ， y 在 单相 流动 时 为 1 ， 随流 体 可压 缩 性增 大而 增大 。 公式表明 对于单相流， 内部压力沿螺杆线性递 增 ； 对于两相流 ， 含气率越高 ， 介质压缩性越好 ， 靠近 出 口端 的压 力梯度 越大 。 5功率和效率特性 双螺 杆 泵 的功 率特 性 包 括有 效 功率 、 机 械 损失 功率和水力损失功率 。有效功率是单位时间内多相 流体经泵加压后能量的增量 ， 为气相指示功和液相 指 示 功 之 和 。功 率 与 效 率 同 转 速 、 流 量 、 压 力 差 有 关 。其效率 计算 式为[ 6 ] 一 1 i q Pd P P Vg l n Pd ／ P ， l 广P 、 式中， h q 为液相体积流量 ， I T I 。 ／ s ； V 为气相体积流 量 ， I T I 。 ／ s ； P为泵 轴功 率 ， k w 。 需要注意的是含气率对泵轴功率几乎 没有影 响 ， 而不是 通 常误认 为 的含 气率越 高 流体越 轻 ， 需 要 的轴功率 越小 。 对于双螺杆混输泵 ， 转速越高 ， 泵 运行效率越 高； 当转速一定时， 含气率升高 ， 泵效降低。 国内外关于粘度对双螺杆泵运行效率影响的研 究均 没有 得到 较 为成 熟 的经 验公 式 。定 性 的认 为 ， 粘度增高时泵的轴功率和容积效率会提高 ， 但水力 损失 会 增 加 ] 。 图 1为 天 津 泵 业 W． V7 ． 2 ／ 7 ． 3 - 8 5 型双螺杆泵在恒转速 9 5 0 r ／ mi n 、 含气率为 0 时， 在 不 同粘 度 3 0 0 、 7 5 0 、 1 5 0 0 I T I 1 T I ／ s 下 的特 性 曲线 。 该 曲线表 明 ， 对 于该 型 泵 ， 流 量 随粘 度 的增 加 而 增 加 ， 效率随粘度的增加而降低。 f n ● 暑 血I 避 压力／ MP a H- Q 3 0 0 日 一 Q 7 5 0 ． o -H - Q 1 5 0 0 日一“0 3 0 0 _ ▲ 一日 一． 7 5 0 斗H n 1 5 0 0 谆 辏 图 1 天津泵业 w． V7 ． 2 ／ 7 ． 3 - 8 5型双螺杆泵特性 曲线 6 温 度对双 螺杆泵 安全运行 的影响 流体在泵内加压的过程中温度会升高， 且 G VF 越高 ， 温升越高。较高的温升引起材料受热膨胀 ， 使 各间隙尺寸减小， 机械损失功率增加 ， 造成泵效降低 甚 至卡 泵 。因此 ， 在 油气 加热集 输泵 的选用 时 ， 泵 内 间隙应大于常温输送用泵 ； 泵运行时， 应将温度控制 在安全操作温度下 。文献[ 5 ] 推荐温升应限定在高 于设 计 温度 1 5℃的范 围内 。 含 气率 较 高 时 ， 可在 泵 吸入 端前 设 置 一 个 吸人 缓 冲罐 。当吸入管 中的介 质 发生 段 塞流 、 纯气 干 转 时， 泵从缓冲罐中暂时吸入一部分液体 ， 在两螺杆接 触密封线之间形成油膜 ， 减少摩擦和延缓温升 ， 提高 泵的使用寿命 。 7 结 论 1 本 文在 总结 国内外 双螺杆 泵特性 研究 成果 和各类 实测性 能 曲线 分 析 的基 础 上 ， 得 到 了双螺 杆 泵流量特性 、 压力特性、 功率 和效率特性 的基本规 律 ； 强调 了温升对 双螺 杆 泵运 行 的影 响 。掌 握 这些 规律有 利 于双螺 杆泵 的选 用 和维护 。 2 双螺杆油气混输泵虽已广泛应用于国内各 油田， 但在稠油等高粘介质下的工作特性研究较少 。 应进一步测取大量现场数据， 研究粘度等 因素对 双 螺杆泵特性的影响， 以指导我 国稠油、 超稠油油田集 输系统 中双 螺杆 混输泵 的运行 。 参考文献 E l i 曹锋 ， 邢子 文 ， 束 鹏程． 双螺杆油 气多相 流混输 泵 内 部工 作 机 理 研 究 [ J ] ． 机 械 工 程 学 报 ， 2 0 0 1 ， 3 7 3 73 7 7． [ 2 ] 张振华 ， 李胜 彪 ， 刘 铁岭． 边 远小断 块稠油 采油工 艺研 究I- J ] ． 油气 田地面工程 ， 2 0 0 4 ， 2 3 2 1 7 ． [ 3 ] E g a s h i r a ， S h o d a ， T o c h i k a w a ， e t a 1 ． B a c k f l o w i n Tw i n S c r e w - T y p e Mu l t i p h a s e P u mp l, C ] ． S P E An n u a l T e c h n i c a l C o n f e r e n c e 8 L Ex h i b i t i o n ． 1 9 9 6 ． [ 4 ] 曹锋 ， 邢子文 ， 张小军 ， 等． 双螺杆混输泵压力建立 过 程 的数 值模 拟 及 实验 研 究 [ J ] ． 西 安 交通 大学 学 报 ， 2 0 0 1 ， 3 5 5 4 9 7 - 5 0 1 ． [ 5 ] Y a ma s h i t a M， S h a r ma Y． P r e - F i e l d T r i a l Te s t i n g o f a Tw i n S c r e w Mu l t i p h a s e P u mp l, C ] ． t h e 2 0 0 1 S P E Mi d d l e E a s t Oi l S h o w h e l d i n B a h r a i n， 2 0 0 1 ． [ 6 ] G e r h a r d Ve t t e r ， e t a 1 ． Mu l t i p h a s e P u mp i n g wi t h T wi n s c r e w Pu mps u nd e r s t a nd a nd M od e l H y d r o dy na mi c s a n d Hy d r o a b r a s i v e we a r [- C ] ． 1 7 t h T e x a s A＆M I n t e r n a t i o na l Pu mp Us e r s S ymp os i u m ， 2 00 1 ． [ 7 ] G o n z a l e z R， C o r p o v e n ． S A ． T w o S c r e w Mu l t i p h a s e P u mp B e h a v i o r I n He a v y C r u d e O i l E c ] ． S P E L a t i n A me r i c a ／ Ca r i bb e a n Pe t r o l e u m Eng i ne e r i n g Co n f e r e nc e， 1 99 6 ．