多相流混輸泵的性能及其研究現(xiàn)狀

1、設(shè)計計算文章編號:100123482(19990520022204多相流混輸泵的性能及其研究現(xiàn)狀程立新1,陳聽寬2(11華南理工大學(xué)工業(yè)裝備與控制工程系,廣東廣州510641;21西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室,陜西西安710049摘要:根據(jù)多相流體的運(yùn)動規(guī)律,分析了多相流混輸泵的性能,并對多相流混輸泵的設(shè)計特點進(jìn)行了討論。最后對國外多相流混輸泵的開發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀作了介紹。關(guān)鍵詞:多相流混輸;泵;性能;設(shè)計特點中圖分類號:TE964102文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A隨著陸上石油的日益減少,人們越來越重視海底石油的開發(fā)。海上原油產(chǎn)出物主要是油和氣的混合物,同時還含有少量的水和砂,是一種多相混合物。在傳

2、統(tǒng)的海上石油開采過程中,需要建立一套復(fù)雜的處理設(shè)施,使原油產(chǎn)出物在海上平臺或海底就分離,然后將油、氣分別輸送到陸上加工基地,這種開采工藝增加了油氣分離裝置,不僅在技術(shù)上帶來了困難,而且也非常不經(jīng)濟(jì)。多相流混輸泵是一種專門用于輸送原油產(chǎn)出物的設(shè)備,與分離方法相比,它不需要增加分離裝置,可使原油產(chǎn)出物直接輸送到加工基地,特別適用于原油混合物的遠(yuǎn)距離輸送1,在海上石油的開發(fā)中,可節(jié)約大量的資金。伴隨著對多相流動規(guī)律的研究和認(rèn)識,國外已開發(fā)出用于海上原油混送的多相流混輸泵,這種產(chǎn)品可以連續(xù)輸送含氣率從0(指100%液體到1(指100%氣體的介質(zhì)1,非常適于惡劣的海上油田開采條件,其突出的優(yōu)點在于節(jié)約能

3、源和節(jié)約資金。我國在多相流混輸泵產(chǎn)品的開發(fā)方面還處于空白,多相流混輸泵主要依賴于進(jìn)口,消耗著大量的外匯,因此,研究和開發(fā)多相流混輸泵對我國海底石油開發(fā)有著十分重要的意義。1多相流混輸泵的性能泵在輸送氣液混合物時,氣泡的運(yùn)動情況對泵的性能有很大影響。隨著氣泡在泵中葉輪內(nèi)聚集的情況不同,可能造成泵效率和揚(yáng)程大幅度下降,甚至使泵的運(yùn)行不穩(wěn)定或產(chǎn)生斷流,這就使得氣液多相流混輸泵與普通的液體泵在性能上有很大的差別。因此,研究葉輪中氣泡的運(yùn)動情況對掌握泵在輸送氣液兩相混合物時的性能變化十分必要。通常采用兩種處理方法2,一種是把兩相流體看成是均勻連續(xù)介質(zhì),它們同時充滿整個流場。在這種情況下又可分為均勻和分離

4、流動模型。均勻流動模型把兩相流體作為均勻混合物來考慮,而分離流動模型則把兩相流體分別按單相流來處理,并考慮相間的作用,然后將兩相的方程相加,得出兩相流動的基本方程。另一種處理方法是將液相作為連續(xù)介質(zhì),而將氣相作為不連續(xù)的離散介質(zhì),因而可以對每個氣泡進(jìn)行跟蹤研究。下文從多相流體運(yùn)動規(guī)律對泵的性能加以分析。1999年第28卷石油礦場機(jī)械第5期第22頁O I LF IELDEQU IP M ENT1999,28(5:2225收稿日期:1999204213作者簡介:程立新(19672,男,陜西韓城人,博士,現(xiàn)從事多相流與傳熱、強(qiáng)化傳熱及節(jié)能技術(shù)研究。1.1泵的揚(yáng)程泵的揚(yáng)程是指泵出口和泵入口之間單位質(zhì)量

5、流體的能量差,可表示為3:H=p2p11d p+v22-v212g+(l2-l1,(1式中,H為泵的揚(yáng)程,m;p為壓力,Pa;v為混合物速度,m s;l為到任意測量基準(zhǔn)面的距離,m;g為重力加速度,m2 s;為氣液兩相流的混合物密度,kg m3;下標(biāo)1,2分別表示泵進(jìn)口和出口。假設(shè)泵中的多相流動為氣泡均勻分布于液流中且氣泡與液流之間無相對滑移的均勻流動,則連續(xù)方程可表示為4:(Q l+Q g=l Q l+g Q g,(2式中,Q g為氣體體積流量,m3 s;Q l為液體體積流量,m3 s;g為氣體密度,kg m3;l為液體密度,kg m3下標(biāo)l,g分別表示液體和氣體,故混合物的平均密度為:=(

6、l Q l+g Q g (Q l+Q g,(3假設(shè)l Q lµg Q g,則式(3變?yōu)?=l Q l (Q l+Q g,(4將式(4代入式(1,則H=p2p1(Q l+Q g (l Q ld p+(v22-v21 (2g+(l2-l1=(p2-p1 1+(v22-v21 (2g+(l2-l1+1 (lQ lp2p1Q g d p=H l+H g,(5式中,H l=(p2-p1 l+(v22-v21(2g+(l2-l1,(6H g=1 (p l Q lp1p2Q g d p,(7H l可近似地視為泵對液體產(chǎn)生的揚(yáng)程,H g可視為泵對氣體產(chǎn)生的揚(yáng)程,假定整個過程是等溫過程,則H g=p1

7、 Q g (l Q lln(p2 p1,(81.2無限葉片數(shù)理論揚(yáng)程采用分離流動模型,假定在葉輪的出口與入口處,氣相和液相分別具有各自的速度和質(zhì)量流量,則泵的理論揚(yáng)程可表示為5:H th=(1-x2v ac2l v c2-(1-xv ac1l v c1+x2 v ac2g v c2-x1 v aclg v c1 g,(9式中,v c為圓周速度,m s;v ac為絕對速度的圓周分量,m s;x為質(zhì)量含氣率;同樣,下標(biāo)1,2分別表示泵進(jìn)口和出口;l,g分別表示液體和氣體。假設(shè)葉片數(shù)無限多,在葉輪入口和出口處,氣相、液相的液流角就等于葉片安放角,則v ac=v c-v a ctan,(10式中,為安

8、放角;v a為軸面速度分量,m s。若流道的過流斷面面積用A表示,則v ag=xm (g A g=xm (g A,(11式中,m為氣液混合物質(zhì)量流量,kg s;為空隙率;=A g A;g為氣相密度,kg m3。v al=(1-xm (l A l=(1-xm l(1-A,(12式中,l為液相密度,kg m3。2多相流混輸泵的設(shè)計特點與輸送液體相比,泵在輸送氣液多相流時性能下降,這主要是由于氣泡在葉輪內(nèi)的滯留造成的,因為滯留氣泡減少了流道斷面面積,使液流的相對速度增加,從而增加了流動損失。目前對氣液多相流混輸泵尚沒有成熟的設(shè)計方法,還不能像清水泵那樣根據(jù)給定的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速等參數(shù),進(jìn)行較可靠地設(shè)

9、計。對多相流混輸泵的主要要求是提高其所能輸送介質(zhì)的氣液混合比,下列方法可供研究和設(shè)計時參考。2.1采用較大的葉片出口安放角圖1所示為采用不同葉片安放角的葉輪在輸送氣液兩相流時的揚(yáng)程比?？梢钥吹?當(dāng)采用較大的葉片安放角(5817°時,雖然揚(yáng)程32程立新,等:多相流混輸泵的性能及其研究現(xiàn)狀在較小的氣液混合比處劇烈下降,但在氣液混合比進(jìn)一步提高時,其揚(yáng)程下降比用較小的葉片安放角(3915°、2515°要小。2.2提高泵的轉(zhuǎn)速,增加葉片數(shù)如圖2所示,泵的轉(zhuǎn)速越高,葉片數(shù)越多,則液流中的氣泡直徑越小。從圖3可以看到,增加葉片數(shù)確實使泵的揚(yáng)程得以提高 。圖1葉片出口角對揚(yáng)程下

10、降的影響52.3采用半開式或開式葉輪液流通過葉片和蓋板之間的間隙,從葉片壓力面流向負(fù)壓面而將滯留在葉輪內(nèi)的氣團(tuán)帶出。隨著氣液混合比的增加,開式葉輪的揚(yáng)程下降小于閉式葉輪和半開式葉輪。由于間隙流由葉片壓力面和負(fù)壓面之間的壓差決定,因而在大流量工況下,葉片表面之間的壓差較大,故這時的排氣效果也較顯著。2.4采用多段式葉片液流通過葉片前后段之間的間隙由正壓力面流向負(fù)壓力面,從而防止氣團(tuán)在前段葉片的滯留。2.5在葉輪蓋板上開設(shè)回流孔將葉輪出口的高壓流體通過葉輪蓋板上開設(shè)的回流孔導(dǎo)入葉輪內(nèi)將滯留氣團(tuán)沖走。2.6采用帶有導(dǎo)葉的擴(kuò)壓室當(dāng)泵在小流量工況下運(yùn)行時,由于液流相對速度減小,無法將氣泡帶出泵外,于是氣

11、泡聚集在葉輪出口下游的擴(kuò)壓室而影響葉輪的正常工作。這時可以采用帶導(dǎo)葉的擴(kuò)壓室,以防止葉輪內(nèi)的氣泡從滯留區(qū)內(nèi)延伸到擴(kuò)壓室內(nèi),從而改善了泵在小流量區(qū)內(nèi)的揚(yáng)程性能。2.7減小渦室入口寬度減小渦室入口寬度可以改善泵在小流量時的揚(yáng)程性能 。圖2轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)對氣泡直徑的影響5 圖3葉片數(shù)對揚(yáng)程下降的影響52.8采用抽氣結(jié)構(gòu)在葉輪蓋板和泵體上開孔往外抽氣,可使輸送介質(zhì)的氣液混合比達(dá)到50%。3國外多相流混輸泵的發(fā)展?fàn)顩r多相流混輸泵可分為兩種類型:葉片式泵和容積式泵。在此以典型的葉片式泵為例,介紹其旋轉(zhuǎn)動力式多相流混輸泵的研究現(xiàn)狀。法國石油公司To tal 、挪威石油公司Sta 2to il 和法國石油研究院

12、(IFP 為了聯(lián)合開發(fā)可進(jìn)行氣液混合物長距離輸送的系統(tǒng),實施了一項海神(Po seidon 計劃1,該計劃始于198442O I L F IELD EQU IP M ENT 1999V o l.285年。IFP 承擔(dān)了多相流混輸泵這一關(guān)鍵設(shè)備的研制,開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)動力式多相流混輸泵。其特點是,采用了螺旋線葉輪及與導(dǎo)葉的配合,圖4所示為該泵的一級葉輪結(jié)構(gòu),氣液混合物沿軸向流動,該泵可輸送含氣量很高的原油產(chǎn)出物。輸送混合物的干度范圍為00.95,相對應(yīng)的葉輪入口氣液比(r gl 從0到18 1(體積比。該泵為海神計劃第二代產(chǎn)品,19891990年期間,經(jīng)工作臺試車后,進(jìn)行現(xiàn)場試驗,在實際工圖4多相

13、流混輸泵的一級葉輪結(jié)構(gòu)1作條件下該泵安全運(yùn)行5000h 1。Su lzer 公司和F ram o 公司在1992年均取得了IFP 第二代水力技術(shù)的生產(chǎn)許可證。Su lzer 公司在將多相流混輸泵推向產(chǎn)業(yè)化的過程中,起到了很大的作用,圖5所示為Su lzer 公司制定的多相流混輸泵系列化產(chǎn)品的泵譜,使多相流混輸泵產(chǎn)品趨于標(biāo)準(zhǔn)化 。圖5Sulzer 公司制定的多相流混輸泵譜1F ram o 公司根據(jù)IFP 第二代水力技術(shù),生產(chǎn)出了性能可靠的螺旋軸向多相流混輸泵,經(jīng)過廣泛的水力和力學(xué)性能實驗,該泵于1994年投入現(xiàn)場,進(jìn)行1200h 的實際考核,現(xiàn)場運(yùn)行良好6。該泵的特性如圖6所示,帶的曲線為實際操

14、作條件的性能,其余為在工廠的試車性能 。圖6F ramo 多相流混輸泵的性能64評語多相流混輸泵作為集輸油氣混合物的一項新技術(shù),有著極大的優(yōu)點。首先,該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單和具有極高的可靠性。其次,該產(chǎn)品具有良好的抗磨蝕性和抗腐蝕性,適用于條件苛刻的流體介質(zhì)。此外,該泵的優(yōu)點還在于其運(yùn)行可靠,對輸送介質(zhì)無最小流量限制。多相流混輸泵最初是針對海上油田的開發(fā)而進(jìn)行的,但它同樣可以應(yīng)用于陸上油田,特別是提高陸上老化油井的產(chǎn)量。國外在多相流混輸泵的研究和開發(fā)方面,取得了實質(zhì)性的進(jìn)展,多相流混輸泵技術(shù)日趨成熟。我國在多相流混輸泵方面的研究還處于空白,或者說剛剛起步。毫無疑問,開發(fā)研究多相流混輸泵技術(shù),對我國石油工業(yè)的發(fā)展具有重大的意義。參考文獻(xiàn):1Salis J de ,M aro lles Ch de ,Schachenm ann A .M u lti phase Pump s fo r M arginal O il F ields J .W o rld Pump s ,1994.334:38241.2陳之航.氣液兩相流動和傳熱M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983.3查森.葉片泵原理及水力設(shè)計M .北京:機(jī)