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2 0 1 5年 第4 4卷 第9期第2 6页 石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犙 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 2 0 1 5,4 4(9) 2 6 3 0 文章编号 1 0 0 1 3 4 8 2(2 0 1 5)0 9 0 0 2 6 0 5 三缸双作用油气混输泵吸入压力对流量特性的影响 张志鸿1, 2, 张生昌1, 平郁才3, 邓鸿英1, 马 艺1, 陈双林3 (1.浙江工业大学, 杭州3 1 0 0 3 2; 2.南车资阳机车有限公司, 四川 资阳6 4 1 3 0 0; 3.长庆油田 第三采油厂, 银川7 5 0 0 0 0) 摘要 针对三缸双作用油气混输泵运行工况, 利用F l u e n t软件对不同吸入压力时单缸工作过程进 行三维动态模拟, 得到了单缸瞬时流量曲线, 并求得泵总的瞬时流量。研究表明 该泵在油气混输 工况下的排出流量脉动率远大于吸入流量脉动率。随着吸入压力提高, 吸入流量脉动率略有增加, 但泵吸入流量和排出流量的平均值大幅增加, 且排出流量的脉动率大幅度降低。 关键词 往复泵; 油气混输; 流量; 特性 中图分类号T E 9 7 3 文献标识码A 犱 狅 犻 1 0. 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 1 3 4 8 2. 2 0 1 5. 0 9. 0 0 7 犐 狀 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犲狅 犳犛 狌 犮 狋 犻 狅 狀犘 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲狅 狀犉 犾 狅 狑 狉 犪 狋 犲犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳犜 狉 犻 狆 犾 犲 狓 犇 狅 狌 犫 犾 犲 犳 狌 狀 犮 狋 犻 狅 狀犗 犻 犾 犵 犪 狊犕 狌 犾 狋 犻 狆 犺 犪 狊 犲犘 狌 犿 狆 Z HANGZ h i h o n g 1,2, Z HANGS h e n g c h a n g 1, P I NGY u c a i 3, D E NG H o n g y i n g 1, MAY i 1, CHE NGS h u a n g l i n g 3 (1.犣 犺 犲 犼 犻 犪 狀 犵犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔,犎 犪 狀 犵 狕 犺 狅 狌3 1 0 0 1 4,犆 犺 犻 狀 犪; 2.犆 犛 犚犣 犻 狔 犪 狀 犵犔 狅 犮 犿 狅 狋 犻 狏 犲,犣 犻 狔 犪 狀 犵6 4 1 3 0 0,犆 犺 犻 狀 犪; 3.犜 犺 犲犜 犺 犻 狉 犱犗 犻 犾犘 狉 狅 犱 狌 犮 狋 犻 狅 狀犘 犾 犪 狀 狋,犆 犺 犪 狀 犵 狇 犻 狀 犵犗 犻 犾 犳 犻 犲 犾 犱犆 狅 犿 狆 犪 狀 狔,犢 犻 狀 犮 犺 狌 犪 狀7 5 0 0 0 0,犆 犺 犻 狀 犪) 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋T h e3 Dd y n a m i c s i m u l a t i o nf o r t h ew o r k i n gp r o c e s so fo n ec h a m b e ro f t h e t r i p l e xd o u b l e f u n c t i o no i l g a sm u l t i p h a s ep u m pw a sc o n d u c t e db yF L U E NT,u n d e rd i f f e r e n ts u c t i o np r e s s u r e . T h e t o t a l i n s t a n t a n e o u s f l o wr a t eo f t h ep u m pw a so b t a i n e db yt h e i n s t a n t a n e o u sf l o wr a t e c u r v eo f c h a m b e r . T h e f l o wp u l s a t i o no fd i s c h a r g ef l o wr a t e i sm u c hg r e a t e rt h a nt h a to fs u c t i o n f l o wr a t eu n d e r o i l g a s c o n d i t i o n . W i t h t h e i n c r e m e n t o f t h e s u c t i o np r e s s u r e s u c t i o np u l s a t i o n r a t e i n c r e a s e dl i t t l e,w h i l e t h ea v e r a g ef l o wr a t eo f t h es u c t i o na n dd i s c h a r g ef l o wr a t ec o u l db o t hb e i n c r e a s e dl a r g e l ya t t h es a m et i m ea n dt h ep u l s a t i o nr a t eo fd i s c h a r g ef l o wr a t eb ed e c r e a s e db y l a r g ea m o u n t . 犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊r e c i p r o c a t i n gp u m p;o i l g a s t r a n s p o r t a t i o n;f l o w;c h a r a c t e r i s t i c 近年来, 油气混输技术在国内东部老区、 沙漠、 外围小断块油田和海滩得到应用, 在管道输送系统 中采用油气集输技术使建设工程投资下降了3 0 % 左右[ 1]。另外, 在油气井口采用混输技术可降低井 口的回压, 从而提高油井的采油率, 当井口压力降低 5 0%时, 原油产量可增加1 0%~1 5% [2 3]。多相混 输泵为多相混输系统中的关键设备, 该技术在我国 研究时间较短, 与世界先进技术有很多差距[ 4]。 收稿日期2 0 1 5 0 3 2 0 基金项目 国家青年基金“ 内压缩混输泵气液单向阀相界面演化及失稳机理研究” (5 1 4 0 6 1 8 3) ; 浙江省教育厅基金“ 大型液 压隔膜泵用液固两相球阀启闭特性研究” (Y 2 0 1 3 2 9 5 5 1) 作者简介 张志鸿(1 9 8 9 ) , 男, 四川南充人, 硕士研究生, 主要从事多相流泵理论与技术、C F D流体仿真研究,E m a i l 1 3 7 5 8 1 9 1 1 4 2@1 6 3. c o m。 常用的油气混输泵其效率低于5 0%, 油气混输 功能较差, 难以适用于高含气率的工况。往复式油 气混输泵能在较高的含气率下工作、 效率较高、 受介 质特性( 黏度、 密度等) 影响较小、 具有良好的油气混 输功能。目前, 对于往复式油气混输泵的研究大都 只是针对泵阀[ 5 6]; 尽管很多学者对于单缸和多缸往 复泵的流量特性做了深入的研究[ 7 8], 但主要针对纯 液相介质; 而油气混输时气相介质的可压缩性对泵 的瞬时流量、 平均流量、 流量脉动率的影响尚未见相 关报道。鉴于C F D软件在气液两相流介质的泵、 阀 的动态分析方面的广泛应用[ 9 1 1], 本文借助 F l u e n t 中的动网格功能和多相流模型, 通过对三缸双作用 油气混输泵动态模拟, 揭示油气混输工况下流量特 性与吸入压力之间的变化规律。 1 流量特性理论分析 本文所研究的三缸双作用往复式油气混输泵的 动力端采用的是三拐四支点组合式曲轴; 以靠近曲 轴输入端为第1曲柄, 以它为基准顺旋转方向计算, 第2曲柄与第1曲柄错角为4 π/3, 第3曲柄与第1 曲轴的错角为2 π/3; 该泵工作腔的布置结构如图1 所示, 活塞将缸体分成2个独立的工作腔, 共有6个 工作腔。每个工作腔都设有组合阀, 各个工作腔的 工作过程互不影响, 因此每个工作腔的工作过程与 单缸单作用往复泵一样。 图1 三缸双作用油气混输泵工作腔体布置 1. 1 不可压缩介质流量特性 输送不可压缩介质时, 在不考虑任何容积损失 及阀滞后的前提下, 每个工作腔吸入和排出的瞬时 流量等于工作腔容积变化率。三缸双作用往复泵总 的吸入瞬时流量犙s、 排出流量犙d等于各工作腔在 同一时间的流量之和, 即 犙s=犙1 s+犙2 s+犙3 s+犙4 s+犙5 s+犙6 s 犙d=犙1 d+犙2 d+犙3 d+犙4 d+犙5 d+犙 { 6 d ( 1) 式中 犙为瞬时流量; 下标1~6分别表示1 # ~6 #工 作腔; 下标s表示吸入, 下标d表示排出。 本文研究的三缸双作用油气混输泵的缸套内径 犇=0. 1 1 5m、 冲程犛=0. 0 9m、 冲次狀=2 4 0m i n -1、 曲柄半径狉=0. 0 4 5m、 连杆比λ=1/8。由式( 1) 绘 制的该泵输送不可压缩介质时的理论瞬时吸入流量 曲线如图2所示, 排出瞬时流量曲线与吸入瞬时流 量曲线重合。 图2 三缸双作用油气混输泵理论瞬时流量曲线 往复泵的瞬时流量是脉动的, 流量脉动率是评 价流量脉动程度的指标, 用式( 2) 计算 δQ 1=犙 m a x-犙m 犙m i n 1 0 0% δQ 2=犙 m-犙m i n 犙m i n 烅 烄 烆 1 0 0% ( 2) 式中 δQ 1、δQ 2为流量脉动率;犙m a x为瞬时流量的最大 值; 犙m i n为瞬时流量的最小值;犙m为瞬时流量的平 均值。 由图2可知, 往复泵输送不可压缩介质时理论 瞬时流量最大值犙m a x=7 3. 2m 3/ h, 最小值犙m i n= 6 2. 7m 3/ h, 平均值犙m=6 9. 9m 3/ h。 δQ 1= 7 3. 2-6 9. 9 6 2. 7 1 0 0=4. 7% δQ 2= 6 9. 9-6 2. 7 6 2. 7 1 0 0=1 0. 2% 1. 2 油气混输时流量计算 当油气混输时, 由于介质可压缩及泵内压力场 的变化, 每个工作腔吸入和排出的瞬时流量在数值 上并不等于工作腔容积变化率。此时每个工作腔吸 入体积流量可按式( 3) 计算 [1 2]。油气混输时总瞬时 流量等于各工作腔瞬时流量的和。 狇1 s=犆s犃x sεs 2 | 狆s 1-狆s 2| ρ槡 s ( 3) 式中 犆s为吸入阀流量系数;犃x s为吸入阀口过流面 积; 狆s 1为吸入阀口上游压力;狆s 2为吸入阀口下游压 力; εs为系数, 当狆s 1≥狆s 2时为1, 否则为-1; ρ s为吸 入阀口处介质密度。 72 第4 4卷 第9期 张志鸿, 等 三缸双作用油气混输泵吸入压力对流量特性的影响 因式( 3) 中流量系数犆s与阀的结构、 阀板升程、 介质特性、 进出口条件等因素有关, 随阀的运动而发 生较大的变化[ 1 3]; 且泵及阀的流道结构复杂, 有些 地方压降较大, 式中狆 s 1、狆s 2、 ρ s等参数不易求得, 式 ( 3) 很少在实际中应用。 2 建模与边界条件 三缸双作用油气混输泵每个工作腔的工作过程 都是独立的, 所以只对1 #工作腔的工作过程进行动 态模拟, 再通过1 #工作腔的流量曲线得到泵总的流 量曲线。活塞处于排出行程末端时1 #工作腔及阀 的流道结构如图3所示。 图3 1#工作腔及阀的流道结构示意 泵的进口边界条件设置为压力入口, 出口边界 条件设置为压力出口, 往复泵工作过程中流体域的 更新通过F l u e n t中动网格技术实现。活塞面的运 动规律通过“ I n c y l i n d e r” 模型控制。阀体的运动通 过用户自定义函数(UD F) 编写程序, 在每个时间步 迭代完以后, 求得阀体所受流体阻力并计算当前阀 体的速度, 再通过宏命令指定阀体的运动规律。 采用S t a n d a r dk ε模型,M i x t u r e多相流模型, 速度压力的耦合采用P I S O算法, 设置液相介质为 原油, 气相介质为甲烷。吸入压力分别为狆 s=0. 2、 0. 2 5、0. 3、0. 3 5、0. 4 MP a; 吸入介质在标准大气压 下含气率β 0=0. 5, 排出压力狆d=3. 0MP a。对这5 种工况进行数值模拟, 介质参数如表1。 表1 介质参数 原油甲烷 密度/ ( k g m-3) 8 5 6 理想气体 比热容犆狆/ ( j( k g k) -1) 25 4 722 0 6 热传导率 / (W(mk) - 1) 0. 3 2 930. 0 3 32 黏度/ ( k g (ms) -1) 0. 0 1 201. 0 8 71 0 -5 3 流量动态模拟与分析 3. 1 1 #工作腔的瞬时流量 动态模拟泵工作过程, 每个时间步迭代完成后 保存进出口的流量, 得到泵的吸入瞬时流量如图4, 排出瞬时流量如图5。 图4 不同吸入压力时1#工作腔吸入瞬时流量 由图4可知, 吸入阀的开启滞后角和关闭滞后 角都较大。1 #工作腔的吸入瞬时体积流量犙 1 s在阀 开启和关闭过程中变化较快, 在阀开启以后吸入瞬 时流量几乎不变, 且随吸入压力的增加而增加。由 于介质在被吸入工作腔的过程中存在压降, 介质在 进口处的压力高于腔体内的平均压力, 介质流入腔 体内因压力降低而膨胀, 导致入口处的瞬时流量小 于腔体容积变化率。当曲柄转过9 0 以后, 工作腔 容积变化率随曲柄转动而减小, 介质在被吸入腔体 内的过程中压降减小, 工作腔内平均压力升高, 腔体 内介质被压缩, 吸入的瞬时流量会大于腔体容积变 化率。曲柄转过1 8 0 以后, 腔体容积减小, 腔体内 介质被压缩, 压力升高, 当腔体内压力小于入口压力 时, 该工作腔的流量仍大于0; 当腔体内压力大于入 口压力而吸入阀还未完全关闭时, 该工作腔的吸入 流量小于0, 此时腔体内的介质将从吸入口排挤出 去。虽然泵的吸入阀关闭滞后角较大, 但仅有少量 介质从吸入口排挤出去, 吸入阀关闭滞后产生的流 量损失较小, 与螺杆式油气混输泵中气体的压缩性 可降低回流损失原理相同[ 1 4]。 图5为不同吸入压力狆 s下1 #工作腔的排出瞬 时体积流量犙1 d。因排出阀开启滞后角较大、 阀刚 开启时腔体容积变化率较大, 此时排出的瞬时流量 迅速增大。因排出阀刚开启时阀隙较小, 介质被排 出过程中压降较大, 工作腔内平均压力远高于出口 处的压力, 腔体内的介质在排出过程中随压力的降 82 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 5年9月 低而膨胀, 导致排出的流量大于腔体容积变化率。 随着阀的开启, 介质排出过程中压降减小, 腔体内压 力降低, 排出瞬时流量与腔体容积变化率近似相等。 排出阀关闭滞后角较小, 因排出阀关闭滞后造成的 流量损失也很小。 图5 不同吸入压力时1#工作腔排出瞬时流量 3. 2 瞬时流量 将1 #工作腔在1个冲程中的瞬时流量曲线扩 展并平移, 可得到每个工作腔的瞬时流量曲线, 将各 工作腔的瞬时流量曲线叠加便可得到三缸双作用油 气混输泵瞬时流量曲线。数值模拟得到的1 #工作 腔在1个冲程中的瞬时流量曲线是由离散的点组 成, 由于工作腔的瞬时流量曲线形状奇特, 很难拟合 出与其相近的函数关系。不能像输送不可压缩介质 那样, 通过先求得各工作腔流量的函数和该泵总流 量的函数, 然后绘制泵的流量曲线。 将各工作腔在相同曲柄转角处的离散点的流量 相加, 得到的新离散点, 即为该转角时泵的流量。数 值模拟时的时间步长是根据阀的速度、 活塞的速度 而调整的, 在相同曲柄转角处, 不可能在每个工作腔 的瞬时流量曲线上都能找到1个与之对应的离散 点。因此, 先采用多段线插值法对工作腔在1个冲 程中的瞬时流量进行等间距插值, 插值得到的曲线 与原始曲线近乎完全重合。 将1 #工作腔在1个冲程中的瞬时流量曲线进 行插值后按周期扩展; 再将扩展后的1 #工作腔的瞬 时流量曲线分别平移4 π/3、 2 π/3, 得到2 #、 3 #工作 腔的瞬时流量曲线。将扩展后1 #工作腔的瞬时流 量曲线乘以活塞杆面积与缸体截面积之比犓, 再分 别平移π、 7 π/3、5 π /3得到4 #、 5 #、 6 #工作腔的瞬时 流量曲线。最后将每个工作腔在相同曲柄转角的离 散点对应的流量相加, 便得到三缸双作用油气混输 泵瞬时流量曲线的离散点。该泵在吸入压力狆 s= 0. 4MP a时的吸入瞬时流量曲线如图6所示, 排出 瞬时流量曲线如图7所示。 图6 三缸双作用油气混输泵吸入瞬时流量 图7 三缸双作用油气混输泵排出瞬时流量 3. 3 平均及最大与最小流量 不同吸入压力下, 吸入介质在标准大气压下含 气率β 0=0. 5、 排出压力狆d=3. 0MP a时泵的吸入 流量平均值犙s m、 最大值犙s m a x、 最小值犙s m i n如图8所 示, 排出流量的平均值犙d m、 最大值犙d m a x、 最小值 犙d m i n如图9所示。 图8 吸入流量的平均值、 最大值、 最小值 由图8可知, 吸入压力狆s从0 . 2 M P a增加到 0 . 4M P a时, 吸入流量的平均值犙s m、 最大值犙s m a x均随 吸入压力的增加而迅速增加, 犙s m从5 3 . 8m 3h-1增 加到6 5. 0 m 3/ h,犙s m a x从5 9. 0 m 3/ h增加到7 2. 8 m 3/ h; 其中最小值犙s m i n先从4 7. 6m 3/ h增加到5 3. 7 m 3/ h, 当狆s=0. 4MP a降低到5 2. 1m 3/ h。 92 第4 4卷 第9期 张志鸿, 等 三缸双作用油气混输泵吸入压力对流量特性的影响 图9 排出流量的平均值、 最大值、 最小值 由图9可知, 吸入压力狆s从0. 2 MP a增加到 0. 4MP a时, 排出流量的平均值犙d m、 最小值犙d m i n均 随吸入压力的增加而增加,犙d m从3 7m 3/ h增加到 5 3. 6m 3/ h,犙d m i n从1 7. 3m 3/ h增加到2 8. 3m 3/ h; 最大值犙d m a x有轻微的变化, 约为8 0. 0m 3/ h。这与 活塞式压缩机相似, 在活塞式压缩机中适当增加吸 入压力能显著提高排气量[ 1 5]。 3. 4 流量脉动率 图1 0为吸入压力狆 s对三缸双作用油气混输泵 吸入流量的脉动率δ 犙s 1、δ犙s 2, 排 出 流量 的 脉 动 率 δ犙d 1、δ犙d 2的影响. 图1 0 流量脉动率 如图1 0所示, 吸入压力狆s从0. 2MP a增加到 0. 4MP a时, 吸入流量脉动率远小于排出流量脉动 率, 且吸入流量脉动率δ 犙s 1、δ犙s 2随吸入压力的增加 略微 增 加, δ犙s 1从1 0. 8%增 加 到1 5. 1%,δ犙s 2从 1 3. 1%增加到2 4. 8%。 排出流量脉动率δ犙 d 1 随吸入 压力 的 增 加 而 迅 速 减 小, δ犙d 1从2 3 0 . 1 %降 低 到 8 4 . 3 %。 吸入压力狆s从0 . 2M P a增加到0 . 3 M P a时, δ犙d 2从1 1 4 . 1 %降低到8 9 . 5 %; 吸入压力狆s从0 . 3 M P a增加到0 . 4M P a,δ犙 d 2几乎不变, 约为8 9 . 5 %。 4 结论 1) 油气混输工况时泵的平均流量随吸入压力 的增加而增加, 且小于纯液相工况时的平均流量; 泵 的吸入流量脉动率远小于排出流量脉动率, 大于纯 液相工况时的脉动率; 吸入流量脉动率随吸入压力 的增加略微增加, 排出流量脉动率随吸入压力的增 加大幅降低。 2) 在油气混输时应适当增加泵的吸入压力。 参考文献 [1] 黄辉, 徐孝轩, 李惠玲, 等.油气集输技术进展[J].油气 田地面工程, 2 0 1 3,3 2(6) 5 6. 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