直线电机抽油泵泵阀总成工作性能分析.pdf

FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ．1， 2 01 0 文章编号 1 0 0 5 -- - - 0 3 2 9 2 0 1 0 0 1 州6 0 4 直线电机抽油泵泵阀总成工作性能分析 曲 海 ， 杨芳 ， 周月波 ， 李根生 1 ． 中国石油大学 北京 ， 北京1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中国石油安全环保技术研究院， 北京1 0 0 0 8 3 ； 3 ． 中原油田分公司采油工程技术研究院， 河南濮阳4 5 7 0 0 1 摘要 直线电机抽油泵是一种新型高效节能的采油装备， 泵阀总成是制约其工作效率提高的关键因素之一。本文运 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 ， 得到了阀球运动特点。 通过研究不同柱塞冲程和冲次参数组合情况下阀球运动， 评价了泵阀总成的启闭和导向性能， 设计符合要求。研究结果 对直线电机抽油泵泵阀设计具有指导意义。 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 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 0 ． 0 1 ． 0 1 3 An a l y s i s W o r k Pe r f o r ma nc e o f Va l v e As s e mbl e i n Oi l Pu m p Dr i v e n by Li ne ar M ot o r Q U H a i ， Y A N G F a n g ， Z H O U Y u e b e ， L I G e n s h e n g 1 ．C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a ； 2 ．C N P C R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S a f e t y E n v i r o n me n t T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 3 P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f Z Y O F B r a n c h S I N e P E C， P u y a n g 4 5 7 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Hi 【g h e ffi c i e n t a n d e n e r gy s a v i n g a r e t h e C h a r a c t e r i s t i c s o f o i l p u mp d riv e n b y l i n e a r mo t o r ．Va l v e i s o n e o f k e y p a as ． Ba s e d o n c o mp ut a t i o n a l flui d dy n a mi c s，nu me ric al s t i mu l a t i o ns f o r t he f l u i d fie l d a r o u n d v a l v e Th e mo t i o n f e a t ur e s o f ba l l va l v e w a s o b t a i n e d ．Op e n c l o s e a n d g u i d e p e r f o r ma n c e s w e r e e v a l u a t e d b y a n a l y z i n g t h e mo t i o n s o f b a l l v alv e i n d i ff e r e n t s t r o k e s a n d s t r o k e s p e r mi n u t e o f p u mp ．T h e c o n c l u s i o n s c a n p r o v i d e s c i e n t i fi c b a s i s f o r d e s i g n i n g v a l v e ． Ke y wo r d s 0 i l p u mp d ri v e n b y l i n e a r mo t o r ；v a l v e；n u me r i c al s i mu l a t i o n；o p e n c l o s e ；g u i d e 1 前言 国内大多数油 田相继进入开发 中后期 ， 油井 基本上从 自喷转入机采 ， 井况更加复杂恶劣， 稳油 控水和节能要求不断提高 ， 促进 了采油节能技术 和设备的发展_ 】 。 J 。直线 电机抽油泵将 直线 电机 安装在配套的井下柱塞式抽油泵下端 ， 利用直线 电机的直线往复运动带动柱塞上下运动， 达 到举 升原油的 目的。其特点结构简单 、 重量轻 、 系统效 率高 j 。目前国内大庆 、 胜利油 田进行现场试验 ， 取得了成功 。 泵阀总成是 直线 电机抽油 泵 的一个 重要部 件， 也是易损件， 它决定着泵的效率及检验泵的周 期 。因此研究 和检验泵 阀总成的工作性能 ， 对提 高采油泵的工作效率具有十分重要的意义。本文 收稿 日期 2 0 o 9 0 3 o 9 修稿 日期 2 o o 9 1 2 1 5 运用计算流体力学方法， 对设计 的泵 阀总成进行 了三维数值模拟 。通过分析不同柱塞冲程和冲次 组合情况下的计算结果 ， 检验泵阀总成 的启闭性 能和导向性能。 2 数值模拟方法 2 ． 1 控 制 方程 及 离散 万 法 湍流的计算可 以采用 k一￡ 两方程模型 ， NS 控制方程形式为 蠡 p 杀 击 厂 厂 c r Y ， ．s 其中 1为连续方程； 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 期 流体机械 4 7 “ ， ， W分别为笛卡尔坐标系下三个方 向 分量动量方程； k ， 分别为湍动能和湍流耗散率方程 ； S源项 。 方程组的求解采用压力修正算法 ， 空间导 数选用二阶精度格式 ， 运用有限体积方法进行离 散 ， 流动假定为等温过程 ， 不考虑能量守恒方程 ， 具体计算采用 C F d e s i g n求解器进行 。 2 ． 2流场 几何 结构和 网格 生成 直线电机抽油泵 固定 阀总成 ， 如图 1所示 。 阀罩下端螺纹与泵筒连接。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 过阀座内孔进入 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 1 固定 阀总成装配示意 依据泵 阀工作原 理， 建立三维计算流场区域 并进行 了网格划分 ， 如图 2所示。 2 ． 3 边界条件 图2 计算流场网格 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， 根据泵挂深度 ， 固定阀 的进油 口和出油 口压力 为 1 5 MP a L 6 J 。柱塞 冲次 6 m i n ， 冲程 6 0 0 mm、 1 2 0 0 mm， 得出固定阀人 口流体 速度随时间变化关系 。 ． 阀球在流场要受到 自身重力， 油液的压力 、 冲 击力 、 粘性力等作用 ， 同时由于柱塞的运动致使进 入阀腔 内油液速度和压力时刻变化 。根据 牛顿第 二定理可知 F ma 1 式中F 阀球所受合力 ， N m 阀球重量 ， k g Ⅱ 阀球运动加速度 ， N ／ k g 依据受力模型， 随着计算时间步长的更新 ， 可 以得 到阀球任意时刻运动速度为 砌 山 2 其中d v d f 3数值模 拟 结果 与分 析 3 ． 1 流场 分析 阀球开启后受流体作用 ， 被顶到 阀罩顶部进 入悬浮阶段 ， 如图 3所示 。 图 3 t 2 ． 5 s Z X剖面速度 云图 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 围周而复始的移 动， 使阀球不是始终位于阀座孔轴心线上 ， 而是偏 离一个距离作公转运动。另外 ， 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 瑚 0 5 0 5 O 5 O 5 O 5 0 ． 5 4 4 3 3 2 2 0 0 砉 ； I匿 i 戳鍪 薹 霪 瑟l F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ．1， 2 01 0 向力不能作用予球心 ， 而是偏离球心一段距离 ， 使 阀球在水平面上作 自转运动。由于阀球偏离阀腔 轴心线 ， 阀腔过流面积不再对称 ， 过流面积小的区 域 ， 流体速度大 ， 如图4所示。 速J m／ s 1 图 4 t 2 ． 5 s X Y剖面速度云图 3 ． 2启 闭性 能验 证 曼 赵 ￡ 昙 彻 帽 厘 l斗 1 ． O 时 间 s a 冲次6 m i n ～， 冲程 6 0 0 ram 吕 皇 静 遥 孽 泵 阀开启和关闭性能的好坏 ， 在一定程度上 影响泵阀寿命和泵筒效率。开启滞后 ， 会使泵筒 内液体的压力 急剧 上升 ， 当开启后 ， 液体能量释 放 ， 使得阀球冲击阀罩的动能增大， 接触表面产生 点蚀 。泵阀关闭滞后 ， 由于柱塞已进人吸液过程 ， 会使部分已排 出液体又回到泵筒 ， 降低抽油泵 的 泵筒效率 。 阀球沿轴向也即 Z方 向的位移和速度， 可以 检验所设计固定阀的启闭性能。阀球开启十分灵 活， 迅速达到阀罩顶部， 如图 5所示。由于阀腔内 流体速度和压力 的变化 ， 阀球所受流体作用力不 能保持恒定 ， 造成阀球轴 向速度存在波动 ， 并且随 冲程的增大阀球轴 向速度波动越加明显。由轴向 位移曲线可知， 速度波动对阀球 的悬浮影响很小。 阀球关闭时， 存在极短时间的滞后 ， 冲程为 6 0 0和 1 2 0 0 mm， 滞后时间分别 为 0 ． 0 4 5 s 和 0 ． 0 9 1 s 。说 明固定阀具有很强的启闭性能。 三1 0 0 0 ． 0 2 ． 5 5 ． 0 时间 s b 冲次 6 m i n ～， 冲程 1 2 0 0 mm 图 5 阀球轴 向位移 一速度曲线 0 ． O 2．5 5 ． 0 时间 s 1 a X轴 舍 皇 漤 唇 * 1 ． 0 0 ． 0 1 ． O g 量 浍 6 叵 暴 0 0 ． 0 2 ． 5 5 ． 0 时间 s 图6 阀球水平方向运动曲线 b Y轴 2 0 1 0年第 3 8卷第 1期 流体机械 4 9 3 ． 3导向性 能验证 泵阀的导 向性 能用阀球在阀罩 内的相对飘忽 量衡量。所谓相对飘忽量是 阀球从球 室中心移动 到球室壁的最大距离与 阀球直径之 比。相对飘忽 量越小 ， 导 向性能越好 。 阀球在水平方向也 即 、 l ， 方 向上 的位移 ， 可 以检验固定阀的导向性能， 如图 6 、 7所示 。统计相 1 ． 0 蚓 苻 o ． o 搔 乜L * 一 1 ． 0 应飘忽量数值， 如表 1 所示。 阀球相对飘忽量满足文献 [ 8 ] 对泵阀总成设 计要求 ， 说明固定阀导向性能良好 。 阀球在开启 和关 闭时 ， ， l ， 方 向都存 在移动 量， 说明阀球是绕 阀座的一个支撑点开启 和关 闭， 与文献 [ 9 ] 结果相 同， 如图 6 、 7所示。 1 ． 0 蚓 幡 o ． o O ． 0 2 ． 5 5 ． o o．o 2．5 5 ． o 时间 s 时间 s a X轴 b Y轴 图 7 阔球水平方 向运动曲线 表 1 泵 阀导 向性 能 冲次 6 m i n 对 比项 目 冲程 6 0 0 ra m 冲程 1 2 0 0 mm X Y X Y 大移动距离 mm、 1 ． 1 6 1 1 ． 1 8 2 1 ． 2 0 1 1 ． 1 8 2 相对飘 忽量 m m 0 ． 0 3 l 0 ． 0 3 2 0 ． 0 3 2 0 ． 0 3 2 4结论 1 运用计算流体力学方法 ， 通过三维数值 模拟 ， 得到了阀球运动特点 。由于受到进入 阀罩 液体作用， 阀球在悬浮阶段轴 向速度存在波动 ， 同 时绕阀腔轴心线存在公转和复杂的自传运动； 2 通过分析 阀球轴 向位移和速度特性 ， 说 明泵阀总成开启灵活， 关闭迅速， 虽然关闭时存在 滞后 ， 但时间极短 ， 因此泵阀总成具有很强的启闭 性能 ； 3 分析阀球径向位移得到阀球相对飘忽 量 ， 与相关标准 比较 ， 泵阀总成的导向性能良好 。 参考文献 [ 1 ] 万邦烈， 李继志．石油矿场水利机械[ M] ． 北京 石油 工业 出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 2 ] 朱君， 徐广天， 刘合， 等．无杆泵采油技术[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 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． [ 4 ] 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[ J ] ．石油学报，2 0 0 6 ，2 7 4 1 2 2 一 [ 5 ] 陶文铨．数值传热学 第 2版 [ M] ． 西安 西安交通 大学出版社， 2 0 0 1 ． [ 6 ] 董世民， 姚春冬， 刘春忠， 等．抽油泵阀球运动规律的 计算 机 仿 真 [ J ] ． 系 统 仿 真 学 报 ， 2 0 0 0 ， 1 2 2 1 1 6 ． 1 l 9． [ 7 ] 曲海 ， 梁政， 魏秦文， 等．直线电机采油泵球阀运动规 律研究[ J ] ．流体机械 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 3 7 41 ． [ 8 ] 沈迪成， 艾万诚， 盛 曾顺， 等．抽油泵[ M] ． 北京 石油 工业 出版社 ，l 9 9 4 ． [ 9 ] 葛占玉， 鲁延丰．抽油泵泵阀运动规律研究[ J ] ．石油 大学学报 自然科学版 ， 1 9 9 5， 1 9 1 6 6 9 ． 作者简介 曲海 1 9 8 1 一 ， 男 ， 博 士研 究生 ， 主要从事 油气井增 产方 面研究 ， 通讯地址 1 0 2 2 4 9北京市 昌平区府学路 l 8号中国石 油大学 北京 2 4 4信 箱。