往复式油气混输泵组合阀滞后角的研究.pdf

液 压 气 动 与 密 ／ 2 0 1 3年 第 0 3期 往复式油气混输泵组合阀滞后角的研究 陈锡栋， 张生昌， 邓鸿英， 柯愈龙 浙江工业大学 机械工程学院， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 摘要 针对实际组合阀的结构特点 ， 结合相关工作参数 ， 推导出了往复式 油气混输泵组合阀滞后角的计算公式 ． 得 到了不 同气液 比下 组合阀的滞后 角。采用 F L U E N T软件 中的 V O F多相流模 型及动态分层动 网格模型 ， 结合 U D F将运动边界定义为活塞运动 。 对 6组不 同气 液比下 的组合 阀滞后角进行了数值模拟 ， 与理论计算结果 比较 ， 相 当吻合 。 结果表明 ， 往复泵输送油气 两相介质时组合阀滞后角远 远大于介质为纯液态的工况 ； 随着介质气液 比的增大 ， 组合 阀的滞后角不断增大。该研 究可为往复式油气 混输泵 阀的设计计算提供一 定的理论基础 。 关键 词 往复式油气混输泵 ； 组合阀 ； 气液 比； 滞后 角 中图分类 号 T H1 3 7 ． 5 T H3 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 3 0 3 0 0 7 6 埘 Re s e a r c h o n Co mb i n a t i o n Va l v e La g An g l e f o r Re c i pr o c a t i ng Oi l g a s M u l t i p ha s e Pu mp C HEN Xi d o n g ， Z HANG S h e n g - c h a n g， DE NG Ho n g - y i n g ， KE Yu - l o n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e p r a c t i c a l s t r u c t u r e a n d r e l a t e d wo r k i n g p a r a me t e r s o f c o mb i n e d v a l v e ， t h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a o f l a g a n g l e o f r e c i p r o c a t i n g o i l g a s mu h i p h a s e p u mp c o mb i n e d v a l v e wa s d e d u c e d ． T h e l a g a n g l e f o r c o mb i n e d v alv e u n d e r d i ff e r e n t g a s l i q u i d r a t i o w a s o b t a i n e d ．T h e VOF mu l t i p h a s e l i q u i d mo d e l a n d mo v e a b l e me s h mo d e l we r e e mp l o y e d ， t h e mo v i n g b o u n d a r y wa s d e fi n e d a s p i s t o n mo ti o n b y UDF , a n d t h e n u me r i c a l c alc u l a ti o n o f l a g ang l e u n d e r s i x d i ff e r e n t g a s - l i q u i d r a ti o s W as c a r r i e d o u t ． F u r t h e r mo r e ， t h e r e s u l t s o f t h e o r e t i c a l c alc u l a t i o n a n d n u me ri c al s i mu l a t i o n a r e me a s u r e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e l a g a n e o f c o mb i n e d v a l v e i s v e r y b i g wh e n t h e me d i u m i s g a s l i q u i d t wo p h a s e f l o w，wh i c h i s f a r b i g g e r t h a n t h e me d i u m i s p u r e l i q u i d ．Al o n g wi t h t h e i n c r e a s e o f g a s l i q u i d r a t i o ， t h e d e l a y ang l e o f c o mb i n e d v a l v e i n c r e a s e ．T h e s t u d y r e s u l t s c a n p rov i d e a the o b a s i s for d e s i g n o f r e c i p roc a t i n g o i l - g a s mult i p h a s e p u mp v alv e ． Ke y wo r d s r e c i p r o c a t i n g o i l g a s mu hi p h a s e p u mp； c o mb i n a t i o n v a l v e； g a s - l i q u i d r a t i o ； l a g a n g l e O 引言 油气混输是近几年迅速发展的一种先进油 田开采 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 2 3 作者简介 陈锡栋 1 9 8 7 一 ， 男 ， 浙江宁波人 ， 硕士研究生 ， 主要从事流体机 械 的教学与科研工作。 工艺 ，已在石油开采 中得到应用。然而油气属多相介 质 ， 混输极为困难 ， 是 国际原油开采业面临的一项重大 难题[ 1 - 2 ] 。往复式油气混输泵是油气混输增压的关键设 备之一。 进出口阀是往复式油气混输泵最关键的水力元件 ， 3 结束语 通过对工业机械手本体机构的关键零部件进行设 计计算 ，并将该气动吸盘式工业机械手在实际生产线 上进行调试运行后【 7 J 。 证实机械手能对工件进行 自动抓 放动作 ， 且在抓放过程中不发生碰撞 ， 实践证 明使 用该 机械手后 ， 企业现场工作人员数量降低了 5 0 ％， 在降低 了劳动力成本 的同时提高了生产率。 参考文献 【 1 】 初晓 旭， 陈文 军． 浅谈气 动密 封 的设计【 J 】 ． 液压气 动 与密 封， 2 0 1 2 ， 2 1 1 - 1 3 ． 7 6 [ 2 ] 张海英， 陈子 珍， 翟志永． 基于 P L C的物料搬运机械手设计 [ J ] ． 机械工程师， 2 0 1 0 ， f 9 8 3 8 4 ． 【 3 】 候博， 阎明印， 王世杰 ． 芯片搬运机 械手设 计[ J 】 ． 机械设计与制 造， 2 0 1 1 , 1 0 3 5 3 6 ． [ 4 】 张海 英． 基 于 P L C的注塑机机 械手控制 系统设计【 J ] ． 机 械工 程师， 2 0 1 1 ， 1 1 7 2 7 3 ． 【 5 】 钟文， 阎秋生， 潘继生， 等． 圆片提升机的结构设计[ J 】 ． 机电工程 技术。 2 0 1 1 , 4 0 7 6 0 6 2 ． [ 6 】 张兴国， 倪远征， 张磊． 禽蛋吸运分级机械手设计及研究[ J ] ． 制 造业自动化。 2 0 1 1 , 3 3 7 1 4 ． [ 7 ] 王建军 ． 搬运 机械手及 P L C控 制系统设计[ J 】 ． 液压 气动 与密 封， 2 0 1 0 ， 1 0 1 6 1 8 ． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e Ms ／ No ．0 3 ．2 0l 3 其滞后角是泵 阀设计计算最重要的特征值之一 。但 目 前 ， 国内外对于往复泵阀滞后角 的研究还很少 ， 相关的 研究也只是集中在输送介质为不可压缩液体 ． 有关油 气两相工况下泵阀滞后角的相关研究尚未见报导。 由此可见 ，利用 F l u e n t 软件对往复式油气混输泵 组合阀滞后角进行仿真研究 ，分析介质不 同气液 比对 组合阀滞后角的影响 ， 总结出变化规律 ， 对往复式油气 混输泵进 出口阀组 的设计计算具有十分重要 的理论意 义和工程应用价值。 1 组合阀滞后角的理论计算 通常 ， 当输送介质为不可压缩的单相液体时 ， 组合 阀吸人阀芯关闭瞬间 ， 排出阀芯开始开启 见图 1 。但 是 ， 当输送油气两相介质时 ， 吸人 阀芯关 闭瞬 问 曲柄 和连杆处于同一水平直线上 ， 0 1 8 0 。 ， 排 出阀芯并未开 始开启 ， 此时 由于气相介质具有可压缩性 ， 油气两相介 质在泵缸内以吸入压力 P 。 开始进行内压缩增压 ，直到 泵缸 内的压力增大到组合阀排出阀芯的开启压力 P 时 曲柄 由 O A位置运动到了 O A 位置 ，内压缩行程结 束 ， 排 出阀芯才开始开启 ， 排出过程开始 。因此 ， 对于组 合阀排出阀而言 ．排出过程的滞后角可用 内压缩过程 曲柄所转过的角度 表示。 1 2 3 4 O 1 一 阀 体2 一 排 出 阀 芯3 一 排 出螺 栓 4 一 排 出弹簧5 一出口流道6 一 密封圈7 一 进口流道 8 一 吸人 阀芯9 一 吸人弹簧 1 O 一 吸人螺栓 图 1 组合阀结构 示意图 为求得组合阀的滞后角 见图 2 ， 首先要计算 出内 压缩终止时的压力 P ， ； 接着求出内压缩终止时， 泵缸内 压力 达到排 出阀开启压力 P ， 所对应的泵缸容积 V； 最 后 ， 结合活塞运动规律可求得滞后角 。 图 2组合阀滞后角示意图 1 ． 1 内压缩终止压力计算 当组合 阀排 出阀芯开启瞬间 。阀芯的受力如 图 3 所 示 。 图 3阀 芯 开 眉 瞬 间 受 力 图 根据排 出阀芯受力平衡原理 ，结合往复泵 阀运动 规律 ， 得到阀芯开启压力 P 。 的计算方程式[ 5 - 6 1 聃 G ma { z 1 l 口 一a S D 6 0 1 2 d k 式 中P 油气两相介质排 出压力 ； p ， 排 出阀芯开启压力 ； ． 阀座孔截面积； 阀芯面 积 ； ～ 弹簧初始力 ； G 阀芯 重力 ； 竹一阀芯质 量 S 活塞 行程 D - 一活塞直径 d 。 广阀座孔 当量直径 ； 一曲柄角速度 。 上式计算得到排出阀的开启压力 P ， 即为往复式油 气混输泵内压缩过程终止时泵缸内的压力 。 1 ． 2 内压缩终止两相介质容积计算 根据油气两相绝热 内压缩过程方程 ，求得内压缩 终止时 ．泵缸内压力达到排 出阀开启压力 P ， 所对应的 气液两相介质容积 为[ 7 - -8 ] k k P i v 一 1 0 ] 。 2 其中 K1 a R 式中 一初始状态下 的体积含气率 ； 油气两相介质的质量含气率 ； p ． 油液密度； p 初始状态天然气密度 ； 气体常数 c 天然气的定容 比热 ； C 。 油液的比热 ； p ， 内压缩终止压力 ； 内压缩终止泵缸容积 ； 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 3期 p 。 油气两相介质初始压力 ； 厂初始状态下泵缸容积； K 气液两相介质绝热压缩 的过程指数。 通过上式可 以计算得到排 出阀开启瞬间 ，油气两 相介质的容积。由于泵缸横截面积不变 ， 所以可以求出 此时活塞的位移 。 1 ． 3 滞后角计算 得到内压缩终止时活塞的位移之后 ，根据活塞运 动规律[6 ] ， ．J 1 一 c o s 1 - c o s 2 0 I 3 L -t J 式中 活塞的位移 ； 曲柄半径 ； A 曲柄连杆比； 曲柄转角 。 当曲柄半径和曲柄连杆 比已知时 ，可以将位移转 换为角度 ，然后将计算得到的 减去 1 8 0 。 得到组合 阀 的滞后角 组合 阀不存在滞后现象时 ， 排 出阀开启瞬间 曲柄转角为 1 8 0 。 。 一 1 8 0 。 4 式中 组合阀滞后角。 因此 ， 结合式 1 、 2 、 3 和 4 可以推导出往复 式油气混输泵组合阀滞后角的计算公式 p , f l G m a 0 S D 1 ／ 2 d k p [ 一 1 _ p 。 q 3 o V 。 5 r [ 1 一 c o s A ／ 4 1 - c o s 2 0 】 一1 8 0。 为研究介质不同气液 比对往复式油气混输泵组合 阀滞后角的影响 ， 选取气液 比 分别为 0 ， O ． 2 ， 0 ．4， 0 ． 6 ， 0 ． 8 ， 1 ． 0六种不同情况进行分析计算 。 本次研究的组合阀用于流量为 1 0 0 m3 ／ h ， 吸人压力 为 0 ． 2 MP a ， 排出压力为 1 ． 8 MP a的三缸双作用往复式油 气混输泵 ，结合组合 阀的几何尺寸以及泵的相关 工作 参数 ， 如表 1 所示。 将以上参数依次代人式 5 进行计算即可求得不 同气液比工况下往复式油气混输泵组合阀的滞后角。 图 4绘 出了介质气液比与往复式油气混输泵滞后 角的关系曲线。从 图中可以看出 当介质气液比为零 ， 即介质为纯液体时 ， 阀的滞后角很小 小于 5 。 ； 当介质 为油气两相时 ， 组合阀的滞后角非常大 ， 且与介质气液 比成正 比。 随着介质气液 比的增大 ， 内压缩行程不断延 长 ， 滞后角增大。这是因为随着气液比的增大 ， 气体所 78 占的体积逐渐增加 ， 由于气体可压缩 ， 使得整个气液两 相介质的可压缩性逐渐增大 ， 其压力的升高更加缓慢 ， 达到排出阀开启压力的时间延长 ， 滞后角增大。 表 1 组合阀几何 尺寸及泵的相关工作参数 参数 数值 活塞行程 S 活塞直径 曲柄连杆比 油液密度 p 初始状态天然气密度 p 天然气定容比热 油液 比热 阀座孔截面积 阀座孔当量直径 盔 阀芯面积 五 弹簧初始力 届 阀芯质量 目 泵速 口 气体常数 R 姬 也 d Ⅱ 囊 图 4气 液 比与 滞 后 角 关 系 2 组合阀滞后角的仿真模拟 关 于 组 合 阀滞 后 角 的 仿 真 计 算 ，就 是 利 用 F L U E N T软件对往复泵泵缸 内油气两相介质的内压缩 过程进行模拟 ， 得到不同气液 比时， 泵缸 内介质压力达 到排出阀开启压力所对应的曲柄转角 ， 由式 1 计算得 到开启压力为 3 ． 3 5 MP a 。在模拟 时， 设置曲柄起始角为 1 8 0 。 ， 而这个角度恰好是 阀不存在滞后现象 时， 排 出阀 芯开始开启 的瞬问。 因此 ， 将模拟得到的曲柄转角减去 1 8 0 。 就得到了内压缩过程曲柄转过的角度 ，即组合 阀 滞后角。 2 ． 1 物理模 型 和 网格 划分 对往复式油气混输泵 内压缩过程进行数值模 拟 ， 研究介质不 同气液 比对组合阀滞后角的影响。所建立 的三维模型如图 5所示 ， 由移动壁面 m o v e w a l 1 、 可 以 滑移的壁面 d e f o r m 以及不能滑移的壁面 w a l 1 组成。 在 内压缩过程中 ， 计算 区域的形状发生变化 ． 因此 需要用到动网格模型， 没有进出口边界。指定 圆柱体三 个面的边界类型分别为 mo v e w M1 、 d e f o r m和 w a l 1 翻 。 计算 区域的高度为 9 0 ram． 半径 7 5 mm。 m K K g g g 瑚 Ⅱ k 蚴 脚 c菖 N 峨 ∞ n m L 言 i 加 Ⅱ Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 0 3 ． 2 0 1 3 楚 壁 Ⅱ 囊 介质气液 比 图 5 计算区域网格模型 2 ． 2 F L UE N T求解器求解 采用 V O F模型对泵缸 内油气两相 内压缩进行模 拟 ， 利用 动态 分层 模型 d y n a mi c l a y e r i n g 实 现动 网 格。湍流模型选择标准 一 8湍流模型 ， 两相介质为理想 的油和天然气 ， 油为第一相 ， 天然气为第二相 ， 运 动边 界的运动方式通过 U D F定义为活塞运动 。各方程的求 解均采用二 阶差分格式 ，压力和速度的耦合求解采用 P I S O算法【 l 0 2 】 。区域 的初始化设置为温度 3 0 0 K， 表压 0 ． 2 MP a ， 速度为 0 ， 使用 p a t h命令对初始状态下的介质 体积含气率进行设置。 2 ． 3 数值模拟与理论计算的结果 比较 将介质气液比作为唯一变量 ，选择气液 比分别为 0 ， 0 ． 2 ， 0 ． 4 ， 0 ． 6 ， 0 ． 8 ， 1 ． 0进行研究。移动壁面运动后新 的 位置由 F L U E N T自动执行更新 。只需给定初始网格 和 使用用户 自定义函数 U D F定义运动区域的运动即可 。 理论计 算和数值 模拟两者 之间 的结果 对 比如 图 6所 示。可以看出理论计算结果和数值模拟结果吻合较好 ， 随着介质气液比的增大 ， 两者 的差值一直很小 ， 误差始 终小于 5 ％。造成理论计算和数值模拟之间误差 的主要 原 因是 理论 曲线为可逆绝热 内压缩 的过程 曲线 。而数值 模拟曲线仅为绝热 曲线 ，在内压缩过程 中存在着 因介 质粘性的损失 ， 所以两者之间会出现差值。 移动壁面 图 6理论值与模拟值的对比 随着气液 比的增大 ， 内压缩过程延长 ， 不可逆程度 不 断加深 ， 因介质粘性产生的损失随之增大 ； 但是随着 内压缩过程 的进行 ， 压力增大的速度越来越快 ， 曲柄只 需 转过一 个很小 的角度就可 以弥补 因介质 粘性 的损 失 。因此气液 比增大 ， 滞后角理论值与模拟值之间的误 差始终很小 。所以随着介质气液 比的增大 ， 组合 阀滞后 角增大， 理论计算的结果 比数值模拟的结果小 。 3 结论 1 通过分析往复式油气混输泵 内压缩过程 ， 结合 组合阀运动规律和活塞运动规律 ，推导 出了组合阀滞 后角的计算公式。经过理论计算得到了不同气液 比工 况下的阀滞后角 ， 发现随着介质气液 比的增大 ， 滞后角 逐渐增大。 2 当介质气液 比为零 ， 即介质为纯液体时 ， 阀的 滞后角很小 小于o ； 当介质为油气两相时 ， 组合阀的 滞后角增大 ， 且与气液 比成正比。 3 利用 F L U E N T软件中 V O F模型和动态分层 网 格模型 ， 对油气两相介质内压缩过程进行模 拟 ， 得到组 合阀滞后角随介质气液 比的变化关系 ，比较 了理论计 算 和数值模拟 的结果 ， 两者误差小于 5 ％， 证实 了理论 计算与数值模拟方法的正确性。 参 考 文 献 [ 1 ] S c h o e n e r H J ．M u l t i p h a s e H e l p f o r G a s R e d u c t i o n [ J ] ． Wo r d P u mp s ， 2 0 0 9， 9 2 4 2 8 ． [ 2 】 D o g r u A H ，H a m o u d A A ，B a r l o w S G ．Mu l t i p h a s e P u mp Re c o v e r s Mo r e Oi l i n a Ma t u r e Ca r b o n a t e R e s e r v o i r [ J 】 ． P e t r o l e u m T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ， 5 6 2 6 4 - 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