直线电机抽油泵泵阀不同工况特点研究.pdf

2 0 1 0年 第 3 9 卷 第 3期第 1 2页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I EL D E QUI P MENT 2 0 1 0， 3 9 3 1 2 ～ 1 7 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 O 0 3 一 O 0 1 2 0 6 直线 电机抽油泵泵 阀不 同工况特点研 究 曲 海 ， 魏秦 文 ， 梁 政。 ， 徐淼 1 ． 中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中国石 油天然气管道科学研究院 ， 河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 ； 3 ． 西南 石油大学 ， 成都 6 1 0 5 0 0 ； 4 ．中国石油管道局 第一工程分公司 ， 河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 摘要 直 线 电机抽 油泵是 一种 新型 高效 节能 的采 油装备 ， 目前 尚处 于研 发 阶段 ， 泵 阀 总成 是制 约 其 工作 效率提 高的 关键 因素之 一 。为充分认 识 该 系统泵 阀 工作 行 为与 其他 抽 油 机 的 不 同， 找 出合 理 设计依 据 ， 运 用计算 流体 力 学方 法对所设 计 的泵 阀总成进 行 了三 维数值模 拟 ， 计 算 结果正 确反 映 了 流 场状 态 ， 得 到 了阀球运 动规律 。通过研 究 不 同柱 塞冲程 和 冲次参 数组合 情 况下 阀球 运动 ， 分析 了 泵 阀总成 的启 闭和 导 向性 能 ， 得 到 了系统最佳 设计 参数 。 关键词 直线 电机抽 油泵 ； 泵阀 总成 ； 数值 模 拟 ； 启 闭性 能 ； 导 向性 能 中 图分 类 号 T E 9 3 3 ． 3 文 献标识 码 A Re s e a r c h o n W o r k Pe r f o r ma n c e s o f Va l v e i n 0i l Pu mp Dr i v e n b y Li ne a r M o t o r a t Di f f e r e nt W o r k Co nd i t i o ns QU Ha i ， WEI Qi n we n ， L I ANG Z h e n g 。 ， XU Mi a o 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Pe t r o l e u m Re s o u r c e a n d Pr o s p e c t i n g，C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， Ch i n a； 2 ． Pi p e l i n e Re s e a r c h I n s t i t u t e Of C NPC， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0， C h i n a ； 3 ． S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0， C h i n a； 4 ．Th e Fi r s t Br a n c h， Ch i n a Na t i o n a l Pe t r o l e u m Bu r e a u Pr o j e c t s ， La n g f a n g 0 6 5 0 0 0， C h i n a Abs t r a c t Hi g h e f f i c i e n t a n d e ne r g y s a vi n g a r e t h e Ch a r a c t e r i s t i c s of oi l pu m p d r i ve n b y l i ne a r mo一 5 结 论 1 梯形 运动规 律是 圆柱 凸轮 往复 泵 的柱 塞组 件 的最佳运 动规 律 ， 能很好 地实 现理 论上 的恒 流量 ， 其相 位角 为 6 0 。 。 2 圆柱 凸轮往 复泵 的 6 个 柱 塞组件 沿 圆柱 凸 轮圆周分布的相位角误差对泵的实际流量有一定影 响。随着相位角误差的增大， 往复泵 的实际流量波 动将 随之 增大 ； 对 于圆柱 凸轮单 作 用往 复泵 ， 相位误 差角 0与泵 的流量 不均 度 的关 系满 足 一0 ／ 3 0 。 参 考 文 献 1- 1 1 张云霞 ， 张金中． 往复泵 的发展与展望[ J ] ． 现代制造 - ．_ ．- ．- ．- ．- ．- ● 技术 与装备 ， 2 0 0 6 5 1 9 2 2 ． 周 长云 ， 刘 洋 ， 彭斌 望 ， 等． 液 压往复泵 及现场试 验 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 1 ， 3 0 增刊 6 1 6 3 ． 张慧峰． 注聚合 物用恒流 量往复泵 中凸轮机构 优化 设 计[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 1 ， 3 0 4 3 0 3 3 ． 杨铁宁 ， 张金 中． 直线 电机驱动往复泵流量压力变化 规 律试验研究l- J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 4 5 6 6 1 ． 候勇俊 ， 蔡科涛 ， 张培 志． 双作用三直 线 电机 往复泵 运 动特性研究I- J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 8 1 2 1 6 ． S PE ／ I ADC P r o g r a m C o mmi t t e s ， De v e l o p me n t a n d Pe r f o r ma n c e Te s t i n g o f t h e He x Mu d Pu mp ．S P E／ I ADC D r i l l i n g C o n f e r e n c e [ G ] ．S P E 7 9 8 3 1 ， 2 0 0 3 1 9 2 1 ． 石永刚 ， 吴央芳． 凸轮机构设计 与应用创新E M] ． 北京 机 械 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 7 ． 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 1 基金项 目 教育部重点实验 室资助项 目 2 0 0 6 S TS 0 2 作者简介 曲海 1 9 8 1 一 ， 男 ， 山东潍坊人 ， 博 士研究 生， 主要从 事油气井 工程 方面的研究 ， E ma l i s w p u w q w1 2 6 ． c o m。 ] ] ] ] ] ] 第 3 9卷第 3 期 曲 海 ， 等 直线 电机抽 油泵 泵阀不同工况特点研究 t o r ．Va l v e i s o ne of ke y p a r t s ．Ba s e d o n c ompu t a t i on a l f l ui d dy n a m i c s，nu me r i c a l s t i mul a t i o ns f or t he f l u i d f i e l d a r o un d va l ve ． Th e m o t i o n l a w o f ba l l va l ve wa s o b t a i ne d． Ope n c l os e a nd g ui d e pe r f o r m a n c e s we r e e v a l u a t e d b y a na l y z i ng t he m o t i o ns o f ba l l va l v e i n di f f e r e nt s t r o ke s a n d s t r oke s pe r mi nu t e o f p ump． Ke y wo r ds oi l pu m p d r i v e n by l i ne a r m o t o r； va l v e；nume r i c a l s i m u l a t i on； o pe n c l o s e； g ui d e 直 线 电机 抽 油泵利 用直 线 电机驱 动井 下柱 塞泵 举升原油， 系统效 率大大 提高 ， 节 能效果 明显_ l j 。 作为一项新兴高新尖端采油技术 ， 目前 尚未形成统 一 标准 ， 直线电机抽油泵 的研制 尚待进一步深入展 开 。泵 阀总成 是 直线 电机 抽 油 泵 的关 键 部 件 之 一 ， 它 决定 了系统 举 升原油 的基 本能 力 、 泵效 、 检泵 周期 以及直 线 电机 结构 和控 制 系统基 本工 作参 数 。研究 分 析泵 阀总成 工作 行 为 ， 对 于合理 选 择 、 设 计直 线 电 机抽 油泵 结构 具有 十分 重要 的指 导作 用 。 1 结构与工作原理 直 线 电 机抽 油 泵 主 要 结 构 设 计 参 数 如表 1所 示 ， 系统 柱塞泵 结 构 如 图 1所示 。柱塞 直接 与 直 线 电机 动子 相连 ， 泵 阀总成 安装 在泵 壳 内 。 ] 。 表 1 直线电机抽油泵主要设计参数 1 泵壳 ； 2 一 固定 阀总成 ； 3 ～套 筒 ； 4柱塞 图 1 直线 电机抽 油泵柱 塞泵结构 泵 阀 总 成 由阀 罩 、 阀球 和 阀 座 组 成 ， 根 据 AP I S P E C 1 l AX标准 ， 设计 采用 性能 优 良槽形 球 室型 闭 室 阀罩 ， 固定 阀 总 成 结 构如 图 2所示 。球 室 壁 有 4 条 圆弧状 凹直 槽 ， 形 成 主要 的液 体 流 道 。 阀罩 顶 部 钻 出与直槽 相应 的直 孔 作 为 出油 孔 ， 各 孔 断 面 积 之 和不 小于球 室 流道 面积 。阀罩 下加 工 出 内螺 纹与 泵 筒相 连接 。 固定阀总成与柱塞总成上的游动阀工作原理相 同 ， 结构 相似 ， 仅 存在 尺寸 上 的差别 。柱塞上 行程 挤 压泵筒中液体 ， 阀球在压差作用下脱离阀座打开 ， 油 液通过阀座内孔进人阀罩 ， 经阀球 与阀罩 内壁之间 空 隙流 向 阀罩 出 口 。柱 塞 上 行 程 结 束 ， 阀球 落 人 阀 座关 闭 。 图 2 固定 阀总成结构 2控 制 模 型 流体 流 动要 受 物 理 守恒 定 律 的支 配 ， 基本 的守 恒 定律 包括 质 量 守恒 定 律 、 动量 守 恒 定 律 、 能 量 守 恒定律 。仿真时不考虑流场热交换 ， 则需满足 以下 守 恒定 律 。 2 ． 1流动 控制 模型 2 ． 1 ． 1质量守恒方程 训 一 0㈩ 式 中 ， ．D 为 流 体 密度 ， k g ／ m。 ； 、 、 为 流 体 速 度 分 量 ， m／ s ； t 为 时 间 ， S ； ．7 c 、 Y 、 z为 3 个 坐标 方 向 。 2 ． 1 ． 2动 量 守恒 方 程 O a p u 一 d i V 一 一 3 x 3 y 3 z 2 a ’ 。 ’ ‘ 、 - a a p ￡ v - d i V 一 一 鲁 鲁 ㈦ a 。 a lz 。 a v ’ a z 。 ⋯ di v 一 一 髦 鼍 y 等 4 a z 。 a z 。 a a ‘ ⋯ 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 3月 式中， P为流体微元体上 的压力 ， N； 、 r 、 r 为微 元体表面粘性应力 r 分量 ； F x 、 F 、 F 为微元体上 的 体积力 ， N。 2 ． 2 湍流模 型 肛￡模型是 目前流场仿真中应用最广泛的模型。 因流场视为不可压缩流动 ， 不考虑用户定义 的源项 ， 则采用的 k - 形式为 4 - a p k u ．一 a￡ 。 a ． 3 x ,u 差] G 一 5 o p e ． 巳 af ’ az， O k 7 _ C 2 譬 ㈤ 式中， 忌为湍动能 ； e为湍动耗散率 ； 为动力粘度 ， P as ； u 为 湍 流 动 力 粘 度 ， “ 一 p C K。 ／ s ， C 0 ． 0 9 为湍动能的普朗特数 ， 一1 为耗散率对 应的普朗特数 ， 一1 ． 3 ； G 为平均速度梯度湍动能 k产生项 ； C 1 、 C 2 为经验 常数 ， C 1 1 ． 4 4 、 C 一1 ． 9 2 。 2 ． 3 流 场变化 控 制模型 流 场 控 制 模 型 是 基 于流 场 区域 固定 形 状 的情 况 ， 当采用 动 网格 技术 后 ， 计 算 区域 是 变 化 的 ， 所 以 要对 上述 流场模 型 进 行 改 造 ， 即考 虑 动 边 界 移 动 的 影 响 ， 表 达式为 定 阀开启后 ， 固定 阀的进 油 口和出油 口处压力设 为 1 5 MP a 。工作 介 质密 度 10 为 9 0 0 k g ／ m。 ， 粘性 系数 为 0 ． 1 7 k g m／ s 。阀球在 阀腔内受流体 冲击 ， 运 动规律 呈现 随机性 ， 在 C F d e s i g n中设 阀球 为 6自由 度运动体。根据有关分析_ 7 ] ， 主要对柱塞冲次为 6 mi n _ 。 、 冲程为 0 ． 6 m和 1 ． 2 m时的情况进行讨论。 图 3 固定 阀总成流场模型 式中， 西为通用变量 ； V 为控制体积， m。 ； L 为控制 体积边界 ； “为流体时均速度 ， m／ s ； U 为动 网格边 界移 动速度 ， m／ s ； 为 表 面 L 上 方 向朝外 的法 向单 位相 量 ； q 为 源项 ； r为扩 散系数 。 3仿真分析 根据所设 计 的泵 阀总 成结 构 ， 在 P r o ／ E软 件 中 建立 如 图 3所示 的流场 模 型 ， 并 导入 C f d e s i g n中进 行流场分析。根据流场模 型结构 ， 同时考虑阀球在 阀罩内运动的随机性 ， 选用 四面体单元划分流场区 域 。阀球与阀座间存在啮合 面， 因此流场区域被分 割成 上下 2部分 。对 阀腔 内部 4个 主要过 流 区域进 行 网格 细 化 处 理 ， 网 格 划 分 如 图 4所 示 ， 共 划 分 2 1 6 2 8 个流场单元 ， 4 3 2 5个节点。 抽 油泵 泵 阀在开启 状 态 ， 进 油 口、 出油 口以及 阀 腔 内流体压力几乎相等。根据表 1中井况参数， 固 柱塞冲次为 6 mi n ～， 冲程为 0 ． 6 m与 1 ． 2 m时 的情况基本相 同 ， 根 据 图 5 ～8固定 阀不 同工作 状 态 阀腔 内部三维流场模 拟结果 ， 可得 出阀球 运动规律 。 y 图 5 阀球开启初始状态 第 3 9 卷第 3期 曲 海 ， 等 直线 电机抽油泵泵 阀不 同工况特点研究 ‘l 5 ‘ y 图 6阀球悬 浮状态 z z平面 图 7 阀球悬浮状态 3 ， 平面 图 8阀 球 关 闭 状 态 a 阀球不是沿 阀座通孔轴心线起升 的， 而是 绕 阀座 的 1个支撑点边旋转边 打开， 阀球 上升受到 阀罩限制 ， 与其发生多次碰撞后进人悬浮阶段。 b 由于阀球是一个球形零件 ， 当流体绕过它 流动时， 在其后部将发生附面层的脱离现象 ， 同时产 生一个横向激动力 。由于阀球 的对称性 ， 这种横 向 激动力将沿阀球的“ 赤道” 周 围周而复始地移动， 使 阀球 不 是始 终位 于 阀座孔 轴 心 线 上 ， 而是 偏 离 一 段 距离作公转运动 。 c 由于流体流动的不稳定性 以及 阀球 的偏离 造成流体相对 阀球流动的不对称性 ， 对 阀球将产生 一 定 的扰动 ， 使这个横 向力不能作用于球心 ， 而是偏 离球 心 一段距 离 ， 使 阀球在 水平 面上 还作 自转 运 动 。 d 阀球落座也是绕着阀座 1个支撑点边旋转 边关 闭 。 e 阀球 打 开 、 落 座 总是滞 后 于柱塞 运 动 时 间 。 冲次减小或冲次增加 ， 阀球公转和 自转速度加快 ， 运 动规 律基 本不 变 ， 冲次过 大 ， 超过 阀球 打开 与落 座 时 间 ， 阀球基 本处 于悬 停状 态 。 泵阀开启和关 闭功能的好 坏， 在一定程度上影 响采油泵的泵效 ， 并缩短泵阀寿命 。泵 阀开启滞后 ， 容易使 泵筒 内液 体 的压 力 受 柱 塞 作用 而急 剧 上 升 ， 在 泵 阀开启 后 ， 液体 能量 急剧 释放 ， 使 得 阀的 冲击动 能增 大 ， 严 重地 损坏 阀球 与 阀座 的接触 表 面 ， 降低抽 油 泵 的泵效 和使 用 寿命 。泵 阀关 闭滞 后 ， 由 于柱 塞 已进入 吸液 过程 ， 使 得 已从泵 筒排 出 的液体 ， 在 柱塞 作 用下 又 回到泵 筒 ， 降低 抽油 泵 的泵效 。 3 ． 2启 闭性能 泵 阀 的启 闭性能 主要 与泵 阀结 构 、 柱塞 运动 、 油 液压力和粘度等参数相关 ] 。在 2种工况下， 根据 图 9 ～1 0阀球开启运动规律 曲线 、 落座运动规律 曲 线 和滞后 时 间 ， 可 以检 验 固定 阀的启 闭性 能 。 a 固定阀开启灵 活、 迅速， 没有阻碍作用 ， 存 在滞 后 ， 但 时 间 极 短 。 固定 阀关 闭存 在 极 短 时 间 的 滞后 ， 是 由于 阀球 从 悬 浮 状 态 下落 到 阀座 需 要 一定 时间， 同时由于阀球落座时存在一定的速度， 这会与 阀座 发生 碰撞 反 弹 。 b 柱塞冲程一定时 ， 即泵的排量一定时， 冲次 越大 ， 阀球的落座速度越大 如图 l 1 。 c 柱塞冲次一定时 ， 冲程越大 ， 阀球落座速度 越 小 ， 造成 阀球 落座 的滞 后 时间越 长 如 图 1 2 。 3 ． 3导 向性 能 泵 阀对 进入 流体 的导 向性 能 是检 验其 性能 的主 要 标准 ， 相对 飘 忽量 越小 ， 导 向性 能越好 。泵 阀结构 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 3月 是 影 响泵 阀导 向性 能 的 主要 因素 “ 。分析 阀球径 向移动量， 即 Y 、 两个方 向上 的位移， 如 图 1 3 ～1 4 所示 ， 可以检验固定阀的导向性能。 Q5 1 ． 0 L5 20 2 5＆0 3 ． 5 40 4 ． 5 5 ． 0 5 ． 5 泔程 ， m 图 9 冲程为 0 ． 6 m阀球沿 X方 向运 动规律 曲线 匠 囊 ● ＼ 嘲 匠 是 l 时间 ／ s IlIijJI1 』Il II 挫 。 i J出 ’ V F l l ’下 W I ” ” ’ Q 5 LO L5 2O 2 5 0 3 ． 5 40 5 0 5 冲程 图 1 O 冲程为 1 ． 2 m 阀球沿 z方 向运动规律 曲线 罩 冲程／ m 图 1 1 阀球落座速度对比曲线 冲程／ m 图 1 2 阀球落座时间对 比曲线 1 ． 5 1 ． O 暑a 5 。 暴 - 0 ． 5 l 1 ． 0 1 ． 5 1 ． 5 1 ． O n 5 。 彗 5 1 ． O 1 ． 5 时间／ s a Y方 向 2 3 4 时间／ s b 方 向 图 1 3 冲程 6 0 0 mm 阀球 Y 、 方 向位移 曲线 葺 u ／ 匠 跟 厘鲁 黜 啪 伽 0 黜 彻 彻 【_ s． 1 v＼ 厘 龋鹰 第 3 9 卷第 3 期 曲 海 ， 等 直线 电机抽油泵泵 阀不 同工 况特点研究 1 7 l 5 1 ． 0 Q 5 霪 。 厘 1 ． O 1 ． 5 1 5 1 ． O 、量 。 。 釜_ n 5 1 O 一 1 ． 5 时 『司／ b 方 向 图 1 4 冲程 1 2 0 0 mm 阀球 Y 、 z方 向位移 曲线 阀球 在 方 向上 的飘 忽量 、 相对 飘 忽 量 对 比 如表 2所 示 ， 其 中 A 为 冲次 6 mi n、 冲程 6 0 0 mm 时 的情况 ， B为 冲次 6 mi n _ 。 、 冲 程 1 2 0 0 mm 时 的 情况 ， 阀球 相对 飘忽 量 符 合 抽 油 泵 泵 阀相 对 飘 忽 量 的要 求 ， 说 明其 导 向性能 较好 。 表 2泵 阀导 向性能对 比 mm A B 对 比项 目 向 向 向 向 飘 忽 量 1 ． 1 6 1 ． 1 8 1 ． Z 0 1 ． 1 8 相 对 飘 忽 量0 ． 0 3 0 0 0 ． 0 3 1 1 0 ． 0 3 1 6 0 ． 0 3 1 1 综合上述分析 ， 选取设计的泵阀结构 、 工作参数 能够满 足直 线 电机 抽 油 泵 正 常 工 作 要求 ， 结 合 直线 电机工作 特点 ， 冲次为 6 mi n ～ 、 冲程 1 2 0 0 mm 时 ， 泵阀工作状态最佳 。 4 结 论 1 直线 电机抽 油泵与抽油机相 比效率较 高， 泵阀运动规律相似 ， 在柱塞上下行程时 ， 阀球启闭均 存在一定的滞后 ， 但受套管 、 直线电机 出力和起下作 业要求限制 ， 其柱塞冲程不可能太大 。 2 直线 电机抽油泵工况与其他采油方式存在 一 定差别 ， 根据泵 阀工作行 为特点 ， 比较适合小排 量、 低行程 、 低冲次 、 频繁换向采油工作。 3 直接影响泵阀选择和工作参数设计的主要 因素 是泵 阀启 闭性 能 和导 向性 能 ， 它 最 终 决定 了 直 线电机结构、 控制 系统参数 的合理范围。泵阀启 闭 性能主要与泵 阀结构、 柱塞运动 、 油液压力和粘度等 参数 相关 。 4 相对 飘忽 量越 小 ， 导 向性 能越 好 ， 改变 固定 阀 阀座下 端形 状 ， 可 以 消 除 涡旋 、 减 小 流动 阻力 ， 改 善泵 阀工 作性 能 。 参考文献 E l i魏秦文 ， 张茂 ， 郭 咏梅． 潜 油 电机 驱动采 油技 术 的发 E 2 ] E 3 ] [ 4 ] [ 5 ] E 6 ] E 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] 展[ J ] ． 石油矿场机 械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 7 1 - 7 ． 付 国太 ， 张柏 ， 任怀 丰 ， 等． 往 复式磁 力驱动柱塞泵举 升工 艺技 术 研 究 E J ] ． 石 油 学 报 ，2 0 0 6 ，2 7 4 1 2 2 1 24． 魏秦文 ， 张茂 ， 王东 莉 ， 等． 直线 电动机一 抽 油 泵系 统 设计与实验 效果 分析 [ J ] ． 石 油 机械 ， 2 0 0 7 ， 3 5 4 5 7 5 9． 张云 霞． 直线 电机往 复 泵工 作理 论 研究 与 结构 设计 I- D ] ．东营 中国石油大学 华东 ， 2 0 0 7 4 2 4 8 ． 魏秦文 ， 张茂 ， 杨斌 ， 等． 直线 电机 采油泵存在 的问 题及改进措施 [ J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 6 1 0 1 3 ． 李桂 兰 ， 邹正文 ， 周耀密 ． 磁力传动离心式植物油泵设 计研究E J ] ． 四川 I 大 学学 报 工程科 学版 ， 2 0 0 3 ， 3 5 6 2 7 3 1． 曲 海 ， 梁政 ， 魏 秦文． 直线 电机抽 油泵 球 阀运 动规 律研 究_ J ] ． 流体机械 ，2 0 0 7 ， 3 5 1 1 3 7 4 1 ． 王善政． 井下 电潜式 往复 泵技 术研 究 [ D] ． 东 营 中 国 石油大学 华东 ， 2 0 0 7 1 7 1 9 ． 赵磊 ， 杨学 云， 曲 占庆 ， 等 ． 井下 电潜式往复泵 举升系 统设计 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 2 3 7 3 9 ． 汪建华． 抽油 泵柱塞和泵筒环隙漏失量计算 的新公式 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 3 5 8 6 1 ． 张延水 ， 宋念 友． 抽油泵 游动 阀改 进设计 [ J - I ． 石 油矿 场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 0 5 7 - 5 9 ． 。 时 2 a