国外多相流泵的研究进展张武高

薛敦松10 2

(石油大学;北京昌平摘要:分析了多相混输的优点及广阔应用前景构型式,

0 )

,

介绍了目前国外开发应用的几种多相流泵的原理及结。

井简述了多相流泵的实测结果以及模拟计算方法

关键词

:

多相流泵

旋转动力式泵

容积式泵

综述。

费用

一般

,

多相流泵的可靠性要求较高牢固可靠。

,

因

1

引

言,

而结构简单以远距,

,

多相混输系统不采用预分离装置多相混输系统在深水边际油田中

,

因而所

有多相流泵都应能输送含有固体颗粒的含气率范围很广的多相流.

离输送未经预处理的含油气水的井流为特征特别是对小储量的卫星井的开发一种方式。

由于井流的平均密度对多,

,

是最经济的

相流泵的技术性能影响很大

进

口密度的剧烈,

多相混输系统的关键技术是多相流,

变动往往引起输出扭矩与轴功率的波动应尽可能使进可靠性。

因而

泵

.

到目前为止

国外多相流泵已成功应用于.

口

混合物均匀

,

从而提高系统的

近海油田及浅海平台油井也已发展到验收鉴定阶尽

水下多相混输系统,

。

不论是用于陆上还是近海平台比,

多相混输,

2

多相流泵的主要类型

系统与目前广泛采用的气液两相流分离系统相最显著的优点在于其结构简单操作方、

加压未经处理井液的技术关键在于;解决油井天然驱动压力不足以及克服管路阻力损失统,.

便泵

。

多相混输系统减少了繁杂的分离器,

输油,

、

空压机以及两套独立的气液输送管线同时也降低了管理费用, .,

降

尽管目前已建立了良好的井下分离输送系厂

低了投资成本远时,

完善了气举技术.

,

但其缺点在于要在井 F,

一

对于近海平台

当油井与处理装置相距较可以降低井,,

套管中加压径:

总的来讲,

原油输送有两种途

使用多相混输系统,

口

压

一种

是常用的相态分离后采用标准的另一种是采用多相流泵进行、

力

,

提高两相流速.

增大产量

同时可延长已,

泵 Z压缩机输送混输能力.

用气举开采过的油井的寿命经济效益

从而获得最高的

多相混输系统必须具有应付恶劣工况的即在纯气相,

近海平台一般存在能源

短缺问题

,

纯液相。

、

段塞流一

、

分层流

多相混输可以通过提取部分采出天然气用于驱动燃气轮机或气体发动机能源。

等多利流态下以及从一种流态向另化情况下的正常工作验,

种梳态转

,

从而获得所需要的米)远

多相流泵从机理研究(X ) (1 (双卜米到 2 0,

、

实验室模型设计试,

多相流泵用于深水距离 (距井日,

发展到现在的工业化应用与检测阶段井且根据通常油井的含气率,

已

0 5

公里 )混输

可避免建造昂贵

初步形成了一套多相流泵的原理及结构设计体

的海上平台

因而可大大减少开采成本及管理

系

,

提出了一般

水泵技术 I卯 5石

多相流泵的设计要求一般.

。

流泵的结构及性能特征作更进一步的探讨

。

多相流混输泵可分为两种类型:

(l )旋转动力式多相流泵:流体沿设计管路运行时获得能量。

3. 1 3

两类多相流泵的结构和性能旋转动力式泵,,

这种泵的优点在于结构简,

单紧凑曰

,

缺点在于输送的流体含气率较低

进,

的吸入条件对泵的运行产生很大的影响U。

如表、所述海神 ( P () S E ID () N )多相流泵水下多相增压系统 (S M U B S ),

输送介质密度的改变及泵的扬程变化都要影响泵的进出压差 (2 )容积式多相流泵:其原理是将一定量的流体从低从侧 (吸入相比,

英国流体力学(N U O V O一

研究协会I G P日

B H R A及意大利新比隆

N ON E )

公司研制的旋转动力式的多相流卜,

)在外界加入能量的条L」),。

泵

,

代表了目前旋转动力式泵的主流方向。

件下输送到局压侧 (排出即使在很高的含气卒下,

与旋转动力泵最显著的优点是

面主要以海神多相流泵为例

讨论旋转动力式,

其体积与重量都很大且可靠性良好1,。

泵的结构及各项性能常情况下相态分离“,

仍能取得良好的增压

海神多相流泵利用叶片泵的优点,

但在通

效果

,

叶片泵在输送气液两相流时会产生形成能头损失”一

表

列出了当今世界上开发的多相混输泵

。

海神多相流泵采用,

j的主要项目l

它们的研究成就代表了多相流。

了美国 N人 C A叶片为其工作叶片

并优化了

泵的发展水平农国家_ _ __ _ _

扩压器的形状从性能上讲,

,

从 i句有效

地防止了相态分离.

下面将对旋转动力式多相流泵及容积式多相l

海神多相流泵实际上兼具离心泵

国外己开发的多相流泵

与压缩机的性能从安装于2

_ _

本

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味旋轴流式泵__

法国

_

_

}号 ).

容积式泵(

I G

JL L F A K S,

A

号平台上的海

海神 l号; I FP,K FB一

T R口笼 )刊E

海神,

神多相流泵的运行上看如下:

它的结构及性能特征

Fl气i

,

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1

机械设计与性能

公说

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该泵所有过流部件都采用不锈合金钢制

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0井能承受 2 5

ba r以上的压力 (该压力与井。

OK SS SM U

,

B FM r1,一

的最大关闭版力相对应》整个多相流泵装,

S MU BS

号:E

璐

号NO RS K E

置由单一的旋转件构成.

因而结构简单坚固

,

FP I挪威

,

FB

代玉号

,

FR O M OSH Fl l

且各个通道相互连通不存在机械接触 (图 U,

。

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公司

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公司

)高压流体

低压流休

水泵技术 1卯夭石

表2

海神泵 P约 1技术参数工作区域10

] 2下压力波动较大时仍能有效工作 (如表 2 ) l

。

设计工况

最小值 0 4

最大值2匆

1 1. 2

泵性能,

摇

碑t (m,爪)压差 (加 )r

12 0

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0 4印

0~ 35~

2( ) X匆

0 50 0

4 51o

在现场运行中

工作介质为单相液体的情,

沁印

况下

,

海神多相流泵的运行特性与离心泵相。

0 43书跳 )

8 2

~

,洲刃

似

,

如图 2闭

稳定运行时,

泵轴转速的变化,

进 lJ压力 (加 )r

一

旧小于酬兀

引起增压值的变化压恒定的升高波动, r,,

因而在稳态情况下了并口,

若背。

含气率(% )转速。 (刁面 )

进

口

压力降低即降低,

压力

在非稳态状况下,

随着多相流中的含气率

若转速恒定不变出现不稳定区域,.

泵轴扭矩值将剧烈

这时若调整泵轴转速,

由原级与次级密封组成的润滑与密封综合

至某一适当值,,

多相流泵将又恢复到正常工作如图

系统

,

密封油压高出输送油压巧b a。

过压值

状态此时扭矩在某一新值下保持恒定3

由独立的控制阀保证

由于输送介质的含气率

所示

。

出现这种现象的原因是泵的特性参数,

的波动会引起泵轴的扭矩以及泵进出口压力的

与现场有较大差异

而调节转速将能使运行点。

剧烈彼动较大。

,

因而作用在密封系统上的压力彼动

回到泵的稳定运行区

据此.

,

可以作出多相流

轴的密封系统要求泵在不稳定运行工况

泵的有效工作范围曲线

图4是海神多相流

口

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图2

海神多相流泵的典型运行特性.

图3

海神多相流泵的非稳态运行特性

水泵技术 1卯5 6

机原因是周期性的润滑油泄漏压爱

。

表

3是实验截

止9 5年 2月得到的 P 3 0 1型泵的耐久性参数表吼I L5、

启动与关机性能

(b . r )

800 k

w

增压系统的关闭并不影响其它设备的正常

运行、

。

一般

,

多相增压系统都装有紧急切断系,

600k

w

统

,

当监测系统得到的安全指标达不到要求时

1 000 2 0 10 02 00 300

夕 00 7 0 0 0枷天 A

40 0

m

,

/

11

(如流量与转速不匹配时 )1 1. 6

系统就切断而停车

。

对旋转动力式泵的评价,

图4人介质:、

泵特性曲线: B

总流量 . 8油伽二 0 )天然气;含气率住8 3;

液施最 0进日压力 25。

从海神多相流泵的结构特征及性能特点

阮

;

可以总结出旋转动力式多相流泵的特征:运行稳定增压的情况;只有一个旋转部件,

进门气浓比

,

操作方便;,

l 1泵 P 30现场测试得到的性能曲线 F

适用范围广含气率与是可调节日

特别适用于中高流量及中等

根据泵的性能曲线差量。

,

可方便

地确定进出日压、

所需要的参数为多相流的流量。

结构简单紧凑

,

适于

泵轴转速,

流量为油井数的函数,

,

深水推广使用;开式结构,

含气率可通过从下游管线回流到泵进因而海神多相流泵的适应范围很广. 13 3。

循

多相流泵中固体磨粒对其性能,

环管线的液相来调节

泵轴转速可由控制室调

影响不大;对高含气率 ( 0一9 3% )的多相流增压

节

。

泵效率,

多级压缩单元组成的多相流泵系统统效率是指一组给定的压缩单元的效率的气液比及吸人压力下综合计算得到下,。

其系在不同压升力率高

一 U” n。 r‘ q, 0 1 0 I l。才.

.”, J八。 n口盆‘尹六

,

通常情况

多相流泵的效率利用实际增压值与理想增.

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一.

.

、忙

’

,

一~户曰

压值之比进行无量纲化将到流泵的单级效率曲线。

图 5是海神多相,

由图可见,

同样含气率的,

火‘

.

.

….

条件下

,

进

日

压力越高,

单级效率越高,,

含气

:一一一

一12

一一一嘴,

工

一

率对泵效率影响相对较小量比较接近时,

但多相流中气液含这是由于流0

泵效率相对较高,,

2

4

‘

9

10

1 4 1‘ l日 2 0

22 2峨

体内部剪切作用相对较低时用增大造成,

而气液含量较指近相间剪切作叫。

气液比图 5进口压力:

不同相之间相界面积较大,

单级效率曲线丫 2 0一3 0

图 6是泵的系统效率曲线

从

于 3 0+

加r以上8~ 13 b a:

恤

r

x

3一 l

r 0 ba 2

一系列实验得知的影响,

低转速时

,

效率不受含气率,

▲

8 ba r以上

而高转速高气液比的情况下。

离心力

效果良好行,

,

短时间内 10%的气体状况下运。

对效率有影响. 1. 3 4

不致损坏泵1 2

耐久性。

容积式多相流泵,

海神多相流泵具有良好的耐久性

主要停

容积式多相流泵中

代表目前发展水平的水泵技术 1 95 6.

表3试验

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其中:弓口月‘‘叨 J C U今

5

一

号试验正在进行

5年2月至9

,

耐久性试验进行了 2

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,

完威计划的 5 3%一.

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图7

双螺杆泵的典型结构图。

图6实验条件泵速:

泵系统效率曲线柴油/ N Z日

公司生产的螺杆泵8 ba r曰0

下面以 BO R N E M A N付,

测试介质刀 n五刁

;x

进口绝对压力。%,

公司生产的螺杆泵为例构与性能.去1 3。

详细说明螺杆泵的结

礴 5阅

进

处含气率,

0% 1

,

5% 4

是

TR

T I

ONI S

多相流泵

SM U BS。

I

号容积式。

结构与机械性能,

多相流泵及 SB S螺杆多相流泵

容积式多相下面主

流泵在输送多相流时具有独特的优点。

图 7是典型的双螺杆泵的结构

在轴向。

,

要以螺杆泵为例介绍容积式多相流泵的发展及

出曰压力作用在每个螺杆的外露中心

因为螺

庵生能

杆的直径与长度都相等的液体静压力相等为零,,。

,

所以作用在两个面仁。

螺杆式多相流泵是在开采与输送高粘度原油的普通螺杆泵的基础上发展起来的用气体的压缩性成功降低了回流损失泵的容积效率中,。

出口压强引起的轴向压力

该泵利提高了

螺杆处于拉紧状态级。

多螺杆泵中一

,

每级

,

螺旋都能有效地承受压力5~ 1 2,

。

高压泵一般设计为一 3,

因为多相混合物在输送过程,

而低压泵则设计为 2,

级

,

压力

气体含量越高。

进

口

压力越低,

,

则回流损七,

更高

,

则级数越多

流量要求越大,

则螺杆直

失越小

螺杆泵输送多相流时,,

采用了气体压

径越大

多螺杆泵的每级螺旋线内

,

各级压力,

力渐近升高的方式

即进口处压力升高缓慢

作用在不平衡外露面上。

引起压力不平衡,

不

而出口处压力升高很快

因而进口处回流量较,

平衡径向负荷由外端滚动轴承支承比于压差. 2忍 3

其大小正

小

,

而回流则可用于减少输送介质的含气率J L

增大出

压力

。

泵的水力性能

螺杆泵中最具代表性的是 B O R水泵技术I卯5 6.

N EM A N N

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立图 1 0

双螺杆泵的典型效率曲线;

进日压力 5愉r

转速,

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流劝方向

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含

气率

:

曰

0%,

,

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。

角%

的增高而增大而增大,

轴功率随进出口压力差的加大。

随含气率的增大而减小

3么3

对容积式多相流泵的评价,

以双螺杆泵为代表图8

容积式多相流泵具有,

双螺杆泵轴线方向的压力曲线

以下特点

:

能在极高的含气率下工作适用范围广泛;

结构简单

,

价格相对较低;,

特别适用由于粘度变化可靠性能好,

腐蚀和固相颗粒

产生的附加载荷的多相流输送;,

、犷,

了演称布丙布O010,八 30

一

\了( b.△尸遭 0r

磨损率低;、

泵的容积效率由进口含气率流体粘度及压力差等综答因素决定这些因素是其水力设,

)

51

图 8示出了双螺杆泵在净水及 9 5%的含气率状态下沿螺杆长度方向上的压力曲线形式。。

图清晰地表示出了双螺杆泵的压力渐进升高图 9示出了螺杆泵的内部泄漏情况图可见,.

一图9

右 Q

?0

计的主要变量的入日

。

输入功率由压力差决定.

,

与泵

80

含气率无关

双螺杆泵的内部泄漏损失图

4

计

算,

该多级多相流泵中计算各级压差与泵效率时只应考虑泵进出口的流动参数 (认力.

、

水

由该,

力系统的几何形状及转速等的影响

进

口

压力越高

,

泄漏损失越大,

出

l L

各级泵中由于两相流产生的附加压力损失应在考虑气体压缩性的情况下逐级计算得到。

压力差越小纯水时增压效果最差这种结果很容易解释。

,

多相流的计算中公式得到数“。。

,

多相流损失可以通过半经验压差计算式中常引入损耗系

图 1 0是以螺杆多相流泵的效率随含气率的变化情况很明显,

,

含气率越低

,

泵效率越

一般情况下K卜

,

高

。

实验还表明

螺杆多相流泵的效率随转速

水泵技术 1 9 95石.

关于多相流泵中气泡的运动与受力状态运

、

动轨迹、’

、

能量平衡,

、

阻力计算等动力学计算问1

题勺.

,

气泡的分离与聚合等相态平衡问题的更进参考文献,

。

,

卜

二

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一步讨论,

中有详细的阐述,

。

但现,

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在

,

这种理论仍然处于探索性阶段

不能应用

\: .’

户

于工业实践中去

因而多相流泵的理论模

拟.

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,

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.

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厂

夕

厂

还有待多相流理论的更进一步发展

一

电

卜

。.,

.

一

由

一

5含气率(%图 1-

结,

论可得出以下结论二,

);

)由以上讨论 (l )

几种多相流泵的比场程曲线棍流泵-

多相流泵代表了当今边际油田与水下不沦从经济上还是,

一

_

CR FA R EFG

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色 G

一一

KW I J

轴流泵

油田井流输送的发展方向

径流泵一一一海王星轴流泵

管理上而言( ) 2

多相流混输都比气液分离输送具.

凡:

D

O P-

P二一

粤h a乙

。

有不可比拟的优点

旋转动力式多相流泵与容积式多相流,

式中

D Dp

几一一多相压差O一一同一转速下的单相压差 P,

泵都克服了多相混输存在的难题功应用于现场多相输送系统中 (3 )。

目前都已成

M

p

。

—度

混合物及液相的密

两种类型的多相流泵都处在进一步的,

完善与发展中 (4 )索性阶段,、

经受现场条件下的检测.

。

—损耗系数 K取决于含气率各级进u

V

叶轮的径向速度流量及泵的可由Fu

模拟计算虽处于半经验化阶段。

,

但已

能用于工业实践中去

纯理论计算则还处于探。

压力

。

模拟系统的更进一步完善还有待于

对于不同类型的多相流泵提出的简单的比扬程计的重点。

u y r a,

多相流理论的完善与发展

“

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嵘

公式加以比较

井可得出各种泵在某一含气率下时为其水力设比扬程的公式为:ND一

参H.

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图 1列出了几种不同类型的多相流泵的比扬程曲线阎。

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率最低点代表了泵叶轮的优化设计重点

主胡 d F a瓜印日 j吃)么口一 L冶画d玉.

由图 1可见于输送多相流,

,

不能将离心泵与径流泵用

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因为这两类泵显然不适合于轴。

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流泵的工作条件

(本文编辑

张树荫 )

水泵技术 1卯 5石