往复式油气混输泵输入功率的计算与分析.pdf

往复式油气混输泵输入功率的计算与分析 口张生昌 口陈锡栋 口邓鸿英 浙江工业 大学 机 械工程学 院杭州 3 1 o 0 1 4 摘要 以往复式 油气混输 泵为例 ， 研 究 了气液两相工况下往复泵输入功 率变化规律 ， 通过分析其工作原理 ， 结合 组 合 阀排 出阀芯开启压力平衡方程和 油气两相绝热 内压缩过程 方程， 推导 出了输入 功率的计算公 式。通过实例计算 ， 得到 了不 同内压缩比、 不 同气液 比工况 下三缸双作 用往复式 油气混输泵的输入功率。结果表 明 随着介 质初 始气液 比的增大 ， 泵的输入功率减 小； 当介质初 始气液比 B o O ． 5时 ， 输入 功率随着 内压 缩 比 的 增 大 而 减 小 。 关键词 往复式油气混输泵组合 阀 内压缩 比气液 比输入功 率 中图分类号 T H 3 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 3 0 2 0 0 2 7 0 3 油 气 混 输 是 近 几 年 迅 速 发 展 的 一 种 先 进 油 田开 采 工 艺 ．其 突 出 优 点 是 回 收 利 用 了 天 然 气 能 源 和 节 约 资 金 。 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 [ I - 2 ] 。往 复 式 油 气 混 输 泵 是 油 气 混 输 增 压 的关 键 设 备 之 一 。 目前 ， 国 内 外 对 油 气 混 输 泵 进 行 了 大 量 的 分 析 研 究 ， 但 相 关 的 研 究 主 要 集 中 在 转 子 式 油 气 混 输 泵 3 - 5 ] ， 有 关 往 复 式 油 气 混 输 泵 的 研 究 还 很 少 ，尤 其 是 针 对 输 收稿 E l 期 2 0 1 2年 9月 入 功 率 的 相 关 研 究 尚 未 见 报 道 ，没 有 相 关 的 计 算 方 法 与 计 算 公 式 可 供 参 考 。 由 此 可 见 ， 深 入 分 析 内 压 缩 比 、 介 质 气 液 比 对 往 复 式 油 气 混 输 泵 输 入 功 率 的 影 响 ， 总 结 出 变 化 趋 势 。可 为 往 复 式 油 气 混 输 泵 输 入 功 率 的 计 算 提 供 理 论 依 据 。 1 往 复式 油气 混输泵工作原理 往 复 式 油 气 混 输 泵 每 一 个 工 作 循 环 由 介 质 吸 人 、 介 质 压 缩 和 介 质 排 出 3个 过 程 组 成 ， 如 图 1所 示 。横 坐 提 高 了 经 济 效 益 ． 适 用 于 静 态 或 中 速 流 动 的 浮 油 回 收 。 1 ． 3 标 准 配 置 上 吸 式 浮 油 收 集 器 是 专 门 为 页 岩 炼 油 厂 在 生 产 过 程 中 收 集 池 表 面 上 的 浮 油 而 设 计 的 ，完 全 采 用 防 腐 不 锈 钢 制 作 ， 总 重 4 6 0 k g ， 可 收 集 7 mm 以 上 厚 度 的 池 内 流 动 浮 油 吸 油 深 度 可 在 7 ～ 5 0 mm 范 围 内 调 整 ， 可 配 备 流 量 5 ～ 5 0 m 。 吸 程 高 度 5 m 的 罗 茨 油 泵 。 收 集 方 式 为 上 吸 式 ， 吸 油 量 每 小 时 在 4 ． 4 5 - 4 5 t 可 根 据 产 量 配 备 油 泵 进 行 调 整 。一 般 情 况 下 。 页 岩 炼 油 厂 一 部 炉 每 小 时 可 产 油 约 5 t 左 右 ， 可 配 备 5 ～ 1 0 m 变 频 罗 茨 油 泵 ， 这 样 可 以 将 新 产 生 的 页 岩 油 浮 油 连 续 不 断 地 在 最 短 的 时 间 内 输 送 到 油 品 处 理 罐 内 。 使 用 浮 油 收 集 器 收 集 池 内 浮 油 不 受 池 内 液 面 高 度 变 化 影 响 ， 不 需 经 过 隔 油 处 理 ， 可 以 直 接 将 浮 油 收 集 输 送 到 指 定 地 点 。缩 短 了 页 岩 油 在 池 内 停 留 的 时 间 。 减 小 了页 岩 油 对 水 和 空 气 的 污 染 。 由 于 抚 顺 页 岩 油 常 温 下 凝 固 的 特 点 ，收 集 器 专 门 设计 了蒸汽 管 ， 通入 蒸 汽后 使 页岩 油变 成 液态 。 利 于 收 集 。 蒸 汽 管 还 可 以 通 人 气 体 使 页 岩 油 聚 集 于 吸 油 管 附 近 ， 利 于 回 收 。 2 经济效益及社会 效益 机械制造5 1 卷 第5 8 2期 F 一 2 0 0 一 Q1 0型 上 吸 式 专 用 浮 油 收 集 器 可 通 过 自身 所 受 的 浮 力 调 节 ，总 是 能 与 浮 油 液 面 保 持 一 致 进 行 收 油 ， 一 次 开 动 就 可 完 成 全 天 的 回 收 任 务 ， 每 次 约1 h 。 F 一 2 0 0 一 Q1 0型上 吸式专 用 浮油 收集 器每 小 时 回收 浮油 约1 0 m 。 回 收 效 率 能 够 达 到 9 0 ％ 以 上 ， 而 且 投 放 、 操 作 、 维 修 极 其 简 单 ， 设 备 的 制 作 也 很 简 捷 。 能 够 适 应 很 恶 劣 的 现 场 情 况 ，配 套 设 备 只 需 一 台 罗 茨 油 泵 就 可 实 施 工 作 。此 设 备 适 用 于 与 油 厂 相 似 的洗 涤 池 、 高 浓 池 、 集 油 池 、 气 浮 池 的 现 场 表 面 浮 油 收 集 。 本 项 目 已获 得 了 国 家 实 用 新 型 专 利 ， 专 利 号 2 01 2 2 01 5 0 1 4 9 ．4 。 该 收 集 器 的 投 入 使 用 。不 仅 增 加 了 页 岩 油 的 回 收 率 。 减 少 页 岩 油 的 损 失 。 而 且 本 装 置 减 少 了 工 业 用 水 的 大 量 使 用 ， 减 少 了 页 岩 油 中 的 挥 发 酚 排 放 量 ， 对 周 边 的 空 气 环 境 的 污 染 也 大 大 降 低 ．在 取 得 一 定 的 经 济 效 益 的 同 时 也 提 升 了 社 会 效 益 。 参 考 文 献 [ 1 ] 成 大先 ．机械设计 手册 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 曾正明．机械工程 材料手册 [ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 O 0 4 ． [ 3 ] 刘鸿文．材料力学[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 2 ． △ 编 辑 丁 罡 2 0 1 3 ， 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 标 为 工 作 腔 容 积 ， 纵 坐 标 为 泵 缸 内 油 气 两 相 介 质 压 力 。 当活 塞 自左 向 右 移 动 时 ， 组 合 阀 吸 入 阀 芯 打 开 ， 油 气 两 相 介 质 以 压 力 P 0 被 吸 入 泵 缸 ， 4 1为 介 质 吸 入 过 程 ； 活 塞 运 动 到 最 右 端 后 ， 吸 入 阀 芯 关 闭 ， 活 塞 向 左 移 动 ， 介 质 被 压 缩 ， 1 2为 内 压 缩 过 程 当 泵 缸 内 的 压 缩 压 力 达 到 排 出 阀 的 开 启 压 力 P 2 时 ， 内 压 缩 过 程 结 束 ； 此 时 组 合 阀 排 出 阀 芯 打 开 。 阀 芯 上 下 两 侧 连 通 ， 压 力 瞬 间 降 低 到 泵 的 排 出 压 力 P I ，介 质 以 恒 定 压 力P 1 被 活 塞 推 出 泵 缸 ， 2 3为 介 质 排 出 过 程 。 往 复 式 油 气 混 输 泵 完 成 一 个 工 作 循 环 所 需 的 外 功 称 为 指 示 功 。 循 环 指 示 功 即 为 pl_ 图 上 封 闭 循 环 图 所 包 围 的 面 积 [ 6 ] ， 而 面 积 除 以 往 复 泵 完 成 一 个 循 环 所 需 的 时 间 就 得 到 了 泵 的 输 入 功 率 。 2 输入功率计算公式 2 ． 1 组 合 阀 排 出 阀 芯 开 启 压 力 平 衡 方 程 通 过 分 析 组 合 阀 排 出 阀 芯 受 力 平 衡 原 理 ’ ，可 以 得 到 阀 芯 开 启 瞬 间 作 用 力 的 平 衡 方 程 [ ] P 2 r e Pl G ma 1 式 中 Pl 为 油 气 两 相 介 质 排 出 压 力 ， MP a ； P 2 为 排 出 阀 开 启 压 力 ， MP a 为 阀 座 孑 L 截 面 积 ， m2 为 阀 芯 面 积 ， H I ； F o为 弹 簧 初 始 力 ， N； G 为 阀 芯 重 力 ， N； m 为 阀 芯 质 量 ， k g ； a为 阀 芯 开 启 瞬 间 加 速 度 ， m／ s 。 根 据 往 复 泵 输 送 单 相 液 体 介 质 时 泵 阀运 动 规 律 得 ‘ 知 ， 阀 芯 开 启 瞬 间 加 速 度 值 最 大 ， 此 时 [ 8 3 c o s p 2 式 中 ．s为 活 塞 行 程 ， I n ； D 为 活 塞 直 径 ， m； d k 为 阀 座 孔 当 量 直 径 ， I n； ∞ 为 曲柄 角 速 度 ， r a d ／ s ； p为 阀滞 后 角 ，o 。 介 质 为 单 相 液 体 时 ， 滞 后 角 较 小 ， c o s O 一 1 ， 因 此 在 计 算 惯 性 力 时 ， 可 以 用 0代 入 式 2 计 算 得 到 最 大 加 速 度 值 3 根 据 式 1 和 式 3 可 以 推 导 出 排 出 阀 芯 开 启 压 力 P 2的 平 衡 方 程 f 蹦 G m 口 4 【 0 一a S D2 t o 2 ／ 2 d k 2 无 论 单 相 液 体 介 质 ， 还 是 气 液 两 相 介 质 ， 阀 的 开 启 压 力 始 终 不 变 ， 因 此 ， 式 4 对 于 气 液 两 相 介 质 也 适 用 。 通 过 式 4 计 算 得 到 的 排 出 阀 开 启 压 力 尸 2， 即 为 往 复 式 油 气 混 输 泵 内 压 缩 过 程 终 止 时 泵 缸 内 的 压 力 。 2． 2油 气 两 相 绝 热 内 压 缩 过 程 方 程 lI 2 8 l 2 0 1 3 ／ 2 一 般 认 为 油 气 两 相 介 质 内压 缩 过 程 为 绝 热 压 缩 过 程 ， 因 为 此 过 程 接 近 实 际 工 况 。 在 内 压 缩 过 程 中 ， 油 气 两 相 介 质 的 总 质 量 不 变 ， 且 质 量 含 气 率 始 终 不 变 ， 油 气 总 体 积 随 压 力 P、 温 度 的 变 化 而 变 化 。 由 此 ， 得 到 的 油 气 两 相 绝 热 压 缩 过 程 方 程 为 [9 - m ] P 2 [ V 一 1 - ／ 3 o V 0 ] X P o 。 5 上 x p t 1 - x P s 6 } 1 x R 式 中 为 初 始 状 态 体 积 含 气 率 ； 为 油 气 两 相 介 质 质 量 含 气 率 ； p 为 油 液 密 度 ， k g ／ m ； 为 初 始 状 态 天 然 气 密 度 ， k g ／ m。 ； R 为 气 体 常 数 ， J ／ k g K ； C 为 天 然 气 定 容 比 热 ， J ／ k g K ； c l 为 油 液 比 热 , J ／ k g K ； V 为 泵 缸 容 积 ， i n 。 ； P 0 为 油 气 两 相 介 质 初 始 压 力 ， MP a； V 。 为 初 始 状 态 下 泵 缸 容 积 ， n l 。 ； K 为 气 液 两 相 介 质 绝 热 压 缩 的 过 程 指 数 。 在 初 始 条 件 已 知 的 情 况 下 ， 通 过 式 5 ～ 6 可 以 求 得 内 压 缩 终 止 时 ，泵 缸 内 压 力 达 到 排 出 阀 开 启 压 力 所 对 应 的 泵 缸 容 积 。 当 内 压 缩 比 和 介 质 体 积 含 气 率 发 生 变 化 时 ， 容 积 不 同 。 2 _ 3输 入 功 率 计 算 公 式 根 据 油 气 两 相 绝 热 压 缩 过 程 方 程 ．可 以 得 到 内 压 缩 过 程 做 功 为 r Vo Wr l P V d V 而P o B o V o { 『 1 ～ 一 1 } 7 一 1 【 【 J～J ⋯ 由 图 1得 知 。往 复 式 油 气 混 输 泵 完 成 一 个 工 作 循 环 所 需 的 外 功 即 为 P- 图 上 封 闭 循 环 图 所 包 围 的 面 积 ， 因 此 ， 单 缸 单 作 用 循 环 总 功 为 z 铿 【 r一 - P o 将 循 环 总 功 除 以 往 复 泵 完 成 一 个 工 作 循 环 所 需 的 时 间 就 得 到 了 泵 的 输 入 功 率 。而 循 环 时 间 则 可 以 根 据 泵 速 求 得 孚 9 式 中 为 泵 的 输 入 功 率 ， k W ； T为 完 成 一 个 工 作 循 环 的 时 间 ， s ； n为 往 复 式 油 气 混 输 泵 泵 速 ， r ／ mi n。 因 此 ， 结 合 式 4 、 5 、 8 、 9 可 以 推 导 出 往 复 式 油 气 混 输 泵 输 入 功 率 的 计 算 方 程 式 【 广 一 } P l 。 P 2 [ 一 1 Vo ] P 0 。 1 O P2 j Pd G ma n a S D2 e o 2 ／ 2 d k 2 Ps W 。 ／ TW n ／ 6 0 机械制造5 1 卷 第 5 8 2 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 通 过 式 1 0 即 可 求 得 往 复 式 油 气 混 输 泵 的 输 入 功 率 ， 计 算 顺 序 为 首 先 计 算 排 出 阀 的 开 启 压 力 P 2 ， 接 着 求 出 压 力 P 2 时 对 应 的 泵 缸 容 积 ，然 后 求 得 循 环 总 功 ， 最 后 得 到 输 入 功 率 。 3实例计 算与结果分析 为 研 究 往 复 式 油 气 混 输 泵 不 同压 缩 比 、 介 质 不 同 气 液 比对 泵 输 入 功 率 的 影 响 ，选 取 介 质 初 始 气 液 比 分 别 为 0、 0 ． 2、 0 ． 4、 0 ． 6、 0 ． 8 、 1 ． 0六 种 不 同 情 况 以 及 内 压 缩 比 为 4、 5、 2 0 ／ 3、 1 0 四 组 进 行 分 析 计 算 。 而 4组 不 同 内 压 缩 比 是 通 过 保 持 泵 的 排 出 压 力 P l 为 2 ． 0 MP a不 变 ， 取 吸 入 压 力 P o分 别 为 0 ． 2、 O - 3 、 0 ． 4 和 0 ． 5 MP a得 到 的 。以 流 量 为1 0 0 m3 ／ h、排 出压 力 为 2 ． 0 MP a的 三 缸 双 作 用 往 复 式 油 气 混 输 泵 为 例 ． 结 合 组 合 阀 的 几 何 尺 寸 以 及 泵 的 相 关 工 作 参 数 见 表 1 。 将 这 些 参 数 代 入 式 1 0 进 行 计 算 ， 即 可 得 到 不 同 内 压 缩 比 和 不 同 气 液 比 下 往 复 式 油 气 混 输 泵 的 输 入 功 率 。 表 l 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／ mm 9 0 活塞直径 D／ mm 1 5 O 油液密度 p ／ k g i n 8 5 0 初始状 态天然气密 度 ／ k g i n 0 ． 6 6 7 9 天然气定容 比热 C ， [ J k g K ] 1 7 3 6 油液 比热 c , ／ [ j k g K 】 ] 2 O o 0 阀座孔截面积f , ／ m ’ 0 ． 8 x l O - 阀座孔当量直径 呔／ mm 3 2 阀芯面积 ／ m2 1 ．5 x 1 弹簧初始力 ／ N 9 阀芯质量 m／ g 1 0 - 3 泵速 r ra i n 2 4 o 气体 常数 R ／ [ J k s K ] 5 1 9 ． 6 5 对 三 缸 双 作 用 往 复 式 油 气 混 输 泵 计 算 输 入 功 率 时 ， 此 时 的 循 环 总 功 为 W 2 ZW。 11 式 中 Z 3为 缸 数 。 图 2绘 出 了 内 压 缩 比 、介 质 气 液 比 与 三 缸 双 作 用 往 复 式 油 气 混 输 泵 输 入 功 率 的 关 系 曲 线 。从 图 中 可 以 看 出 在 内 压 缩 比 不 变 的 情 况 下 ， 输 入 功 率 随 着 介 质 初 始 气 液 比 的 增 大 而 不 断 减 小 ； 内 压 缩 比 越 大 ， 随 着 介 质 初 始 气 液 比 的 增 大 输 入 功 率 下 降 的 趋 势 愈 明 显 在 介 质 初 始 气 液 比较 小 ／ 3 0 0 ． 5 时 ， 输 入 功 率 随 着 内压 缩 比 的 增 大 而 减 小 。 4结论 机械制造 5 1 卷 第 5 8 2 期 通 过 分 析 往 复 式 油 气 混 输 泵 工 作 原 理 ．结 合 阀 芯 开 启 压 力 计 算 方 程 和 油 气 两 相 绝 热 内 压 缩 过 程 方 程 ． 推 导 出 输 入 功 率 的计 算 公 式 。 通 过 实 例 计 算 与 分 析 ． 得 出 以 下 结 论 。 1 对 于 4组 不 同 的 内 压 缩 比存 在 一 共 同 现 象 ， 当 内 压 缩 比 相 同 时 ，随 着 油 气 两 相 介 质 初 始 气 液 比 的 增 大 ，往 复 式 油 气 混 输 泵 正 常 工 作 所 需 的 输 入 功 率 不 断 减 小 ， 当 B o O ． 8 以 后 ， 减 小 的 趋 势 逐 渐 平 缓 。 2 对 比 4组 不 同 的 内 压 缩 比 ， 内 压 缩 比越 大 ， 随 介 质 初 气 液 比 的增 大 ， 输 入 功 率 下 降 的 趋 势 愈 明 显 。 3 当 介 质 初 始 气 液 比较 小 ／ 3 0 O ． 5 时 ， 输 入 功 率 随 着 内压 缩 比 的增 大 而 减 小 。 参 考 文 献 [ 1 ] S c h o e n e r H J ． Mu h 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 m p s ， 2 0 0 9 9 2 4 - 2 8 ． [ 2 ] 王世清 ，丘 晓翼． 多相混 输泵输送技术 在油 田的应用 『 J ] ． 油气储运 ， 2 0 0 2 ， 2 1 1 3 4 3 6 ． [ 3 ] 张生 昌， 邓鸿英 ， 牟介刚 ， 等． 新 型外 环流转子活塞 油气混 输泵 [ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 1 1 2 ． [ 4 ] 胡斌 ， 王文毅 ， 李祁光 ， 等． 双螺杆 多相混输泵压力分 布的 数值模拟 [ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 0 1 0 1 5 ． [ 5 ] 胡斌 ， 杨小强 ， 何永宁 ， 等． 双螺杆 多相混输泵转子变形 的 理论研究 [ J ] ． 流体 机械 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 1 l 0 1 6 ． [ 6 ] 李云 ， 姜培正． 过程流体机械 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 008 ． [ 7 ] 董世 民， 王春好 ， 阎乐好． 往复泵 自动锥形 阀运动规律 的新 模型与仿真 [ J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 2 ， 2 9 6 2 0 ～ 2 2 ． [ 8 ] 往复泵设计编 写组 ． 往复泵设计 [ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ． 1 9 8 7 ． [ 9 ] 刘定智． 多相 混输技术的研究及其应用 [ D] ． 成都 西南石 油学 院． 2 0 0 3 ． [ 1 O ] 刘捷． 流体机械[ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． △ 编 辑 禾 禾 2 0 1 3 ／ 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m