雙螺桿油氣混輸泵特性分析

梁光川，程圓晶，廖沖春，馬培紅，趙 毅

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，成都610500；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，成都610015；3.中國石化集團(tuán)西北油田分公司工程院，烏魯木齊830011）

雙螺桿油氣混輸泵特性分析

梁光川1，程圓晶2，廖沖春3，馬培紅3，趙 毅3

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，成都610500；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，成都610015；3.中國石化集團(tuán)西北油田分公司工程院，烏魯木齊830011）

總結(jié)國內(nèi)外雙螺桿泵特性研究成果，并分析各類實(shí)測性能曲線。其回流增壓特性利用了氣體的可壓縮性來提高泵的容積效率，回流損失和容積效率是該泵流量特性的關(guān)鍵指標(biāo)，主要受泵內(nèi)間隙尺寸和運(yùn)行參數(shù)的影響。壓力差、含氣率、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)對容積效率的影響較復(fù)雜。容積腔內(nèi)壓力沿螺桿逐漸升高，對于單相流，各容積腔壓力線性遞增；含氣率越高，出口端壓力梯度越大；泵軸功率不受含氣率的影響。泵效隨轉(zhuǎn)速的升高而升高，隨含氣率升高而降低。粘度增高時(shí)泵的軸功率和容積效率會(huì)提高，水力損失會(huì)增加，泵效的變化需要試驗(yàn)確定。研究結(jié)果對泵的選用與運(yùn)行維護(hù)具有指導(dǎo)意義。

雙螺桿泵；特性分析；容積效率

雙螺桿油氣混輸泵是1種集壓縮機(jī)和液體泵的性能于一身的多相流增壓裝置。在油田集輸系統(tǒng)中，常用于將油井采出的油氣水多相流輸送至較遠(yuǎn)的接轉(zhuǎn)站或聯(lián)合站，以降低井口壓力，增加產(chǎn)量。國內(nèi)外試驗(yàn)測試及油田使用情況表明，雙螺桿泵作為出色的多相泵具有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)［1－2］：

1） 對任意氣液比的多相流體，高凝固點(diǎn)、高粘度流體都有較好的增壓效果，適用工況：流量10～1 000m3／h，壓力0～10MPa。

2） 集壓縮機(jī)和液體泵的性能于一身，省去了站場分離設(shè)備和管道投資，提高了邊遠(yuǎn)油田、衛(wèi)星油田的經(jīng)濟(jì)開采性。

隨著雙螺桿泵的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者已開始全面研究泵的相關(guān)特性。Egashira建立了回流量的數(shù)學(xué)模型［3］，用以分析回流量與壓差、含氣率、轉(zhuǎn)速的關(guān)系；曹鋒等建立了內(nèi)部工作機(jī)理數(shù)學(xué)模型［4］，用以分析流量、功率、效率、內(nèi)部壓力變化規(guī)律以及它們與含氣率、壓差、進(jìn)口壓力、轉(zhuǎn)速的關(guān)系。以上模型均較復(fù)雜，不易于設(shè)計(jì)選泵和指導(dǎo)泵的運(yùn)行管理。本文主要分析雙螺桿泵宏觀特性及各特性與其影響因素間的關(guān)系，為集輸站場選泵和泵的運(yùn)行維護(hù)提供參考。

1 雙螺桿泵回流增壓機(jī)理

雙螺桿泵依靠螺桿相互嚙合而形成的工作密封腔的周期性變化來輸送流體。密封腔內(nèi)的流體隨密封線向排出端勻速移動(dòng)，沿流體運(yùn)動(dòng)方向，各工作腔內(nèi)壓力逐漸上升，高壓腔內(nèi)流體在壓差作用下，分別從齒頂間隙、接觸線間隙和泄露三角形區(qū)域向前一級低壓腔回流?；亓魇沟玫蛪呵粌?nèi)氣體被壓縮，壓力升高，起到了增壓效果。回流損失使得泵實(shí)際流量小于理論流量，但雙螺桿泵利用了氣體的可壓縮性，成功地降低了回流損失，提高了泵的容積效率。

2 流量特性

泵的實(shí)際流量Qreal可表示為

式中，QTH為理論流量，m3／s；QB為回流損失，m3／s。

理論流量QTH可從螺桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算獲得，它與螺桿型線、螺桿導(dǎo)程及螺桿直徑有關(guān)，計(jì)算式為

式中，B為螺桿直徑，mm；L為螺桿導(dǎo)程，mm；ζ為修正系數(shù)，隨螺桿結(jié)構(gòu)不同而不同；n為轉(zhuǎn)速，r／min。

3 回流損失和容積效率分析

由雙螺桿泵增壓機(jī)理和流量特性分析可知，回流不僅微觀的影響泵內(nèi)壓力分布，對泵的宏觀流量特性也有較大影響。

影響泵內(nèi)回流的因素分為設(shè)備的物理因素和運(yùn)行參數(shù)兩方面。設(shè)備的物理因素主要是指齒頂間隙、接觸線間隙和泄露三角形的尺寸［3］。間隙尺寸越大，回流量越大。

影響回流的運(yùn)行參數(shù)主要包括壓差、含氣率（GVF）、轉(zhuǎn)速、液相粘度等。運(yùn)行參數(shù)對螺桿泵回流量及容積效率的影響主要有5個(gè)特點(diǎn)：

1） 對于單相流（GVF＝0%），轉(zhuǎn)速對回流量QB影響較小，即轉(zhuǎn)速越高，容積效率越高；對于多相流，轉(zhuǎn)速越高，回流量QB越小，容積效率越高。

2） 壓力差增加，回流量增大，容積效率降低。但文獻(xiàn)［5］通過實(shí)驗(yàn)曲線證實(shí)了螺桿泵在高含氣率時(shí)（GVF＞80%），泵的液相流量基本不隨壓力的增加而改變。

3） 含氣率對容積效率的影響比較復(fù)雜，與壓力差和GVF值的區(qū)間相關(guān)：①泵壓差較大時(shí)，含氣率GVF越高，容積效率越高；②泵壓差較?。▔毫ω?fù)載率不高）時(shí)，容積效率隨GVF的變化如下：

當(dāng)含氣率GVF＜K%時(shí)，容積效率隨著GVF的增加而增加；當(dāng)含氣率GVF＞K%時(shí)，因氣相從螺桿間隙中產(chǎn)生回流，容積效率隨著GVF的增加而減小。

K為一臨界值，根據(jù)泵型號參數(shù)和運(yùn)行工況的不同而變化，臨界值K與轉(zhuǎn)速和壓力差均成正比。

4） 液相粘度增大時(shí)回流損失減少，容積效率增加。

5） 沿螺桿有足夠多的基元容積腔時(shí)，泵的吸入端可能就不存在回流，此時(shí)泵吸入端的流量與泵的壓差無關(guān)。因此，容積腔數(shù)目越多，泵額定壓力越高。

4 壓力特性

雙螺桿泵回流增壓機(jī)理使得沿螺桿分布的工作腔內(nèi)壓力累進(jìn)升高，在出口端升高較快。沿螺桿方向的壓力分配可表示為［3］。

式中，pi為螺桿上某處的壓力，Pa；ps為泵進(jìn)口壓力，Pa；pd為泵出口壓力，Pa；i為吸氣側(cè)到螺桿長度方向某處間的工作腔數(shù)；Np為螺桿長度方向上總工作腔數(shù)；γ為參數(shù)，γ在單相流動(dòng)時(shí)為1，隨流體可壓縮性增大而增大。

公式表明：對于單相流，內(nèi)部壓力沿螺桿線性遞增；對于兩相流，含氣率越高，介質(zhì)壓縮性越好，靠近出口端的壓力梯度越大。

5 功率和效率特性

雙螺桿泵的功率特性包括有效功率、機(jī)械損失功率和水力損失功率。有效功率是單位時(shí)間內(nèi)多相流體經(jīng)泵加壓后能量的增量，為氣相指示功和液相指示功之和。功率與效率同轉(zhuǎn)速、流量、壓力差有關(guān)。其效率計(jì)算式為［6］

式中，Vliq為液相體積流量，m3／s；Vg為氣相體積流量，m3／s；P為泵軸功率，kW。

需要注意的是含氣率對泵軸功率幾乎沒有影響，而不是通常誤認(rèn)為的含氣率越高（流體越輕），需要的軸功率越小。

對于雙螺桿混輸泵，轉(zhuǎn)速越高，泵運(yùn)行效率越高；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，含氣率升高，泵效降低。

國內(nèi)外關(guān)于粘度對雙螺桿泵運(yùn)行效率影響的研究均沒有得到較為成熟的經(jīng)驗(yàn)公式。定性的認(rèn)為，粘度增高時(shí)泵的軸功率和容積效率會(huì)提高，但水力損失會(huì)增加［7］。圖1為天津泵業(yè)W.V7.2／7.3－85型雙螺桿泵在恒轉(zhuǎn)速（950r／min）、含氣率為0%時(shí)，在不同粘度（300、750、1 500mm2／s）下的特性曲線。該曲線表明，對于該型泵，流量隨粘度的增加而增加，效率隨粘度的增加而降低。

圖1 天津泵業(yè)W.V7.2／7.3－85型雙螺桿泵特性曲線

6 溫度對雙螺桿泵安全運(yùn)行的影響

流體在泵內(nèi)加壓的過程中溫度會(huì)升高，且GVF越高，溫升越高。較高的溫升引起材料受熱膨脹，使各間隙尺寸減小，機(jī)械損失功率增加，造成泵效降低甚至卡泵。因此，在油氣加熱集輸泵的選用時(shí)，泵內(nèi)間隙應(yīng)大于常溫輸送用泵；泵運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將溫度控制在安全操作溫度下。文獻(xiàn)［5］推薦溫升應(yīng)限定在高于設(shè)計(jì)溫度15℃的范圍內(nèi)。

含氣率較高時(shí)，可在泵吸入端前設(shè)置一個(gè)吸入緩沖罐。當(dāng)吸入管中的介質(zhì)發(fā)生段塞流、純氣干轉(zhuǎn)時(shí)，泵從緩沖罐中暫時(shí)吸入一部分液體，在兩螺桿接觸密封線之間形成油膜，減少摩擦和延緩溫升，提高泵的使用壽命。

7 結(jié)論

1） 本文在總結(jié)國內(nèi)外雙螺桿泵特性研究成果和各類實(shí)測性能曲線分析的基礎(chǔ)上，得到了雙螺桿泵流量特性、壓力特性、功率和效率特性的基本規(guī)律；強(qiáng)調(diào)了溫升對雙螺桿泵運(yùn)行的影響。掌握這些規(guī)律有利于雙螺桿泵的選用和維護(hù)。

2） 雙螺桿油氣混輸泵雖已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各油田，但在稠油等高粘介質(zhì)下的工作特性研究較少。應(yīng)進(jìn)一步測取大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，研究粘度等因素對雙螺桿泵特性的影響，以指導(dǎo)我國稠油、超稠油油田集輸系統(tǒng)中雙螺桿混輸泵的運(yùn)行。

［1］ 曹 鋒，邢子文，束鵬程.雙螺桿油氣多相流混輸泵內(nèi)部工作機(jī)理研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37（3）：73－77.

［2］ 張振華，李勝彪，劉鐵嶺.邊遠(yuǎn)小斷塊稠油采油工藝研究［J］.油氣田地面工程，2004，23（2）：17.

［3］ Egashira，Shoda，Tochikawa，et al.Backflow in Twin－Screw－Type Multiphase Pump［C］.SPE Annual Technical Conference＆Exhibition.1996.

［4］ 曹 鋒，邢子文，張小軍，等.雙螺桿混輸泵壓力建立過程的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35（5）：497－501.

［5］ Yamashita M，Sharma Y.Pre－Field Trial Testing of a Twin Screw Multiphase Pump［C］.the 2001SPE Middle East Oil Show held in Bahrain，2001.

［6］ Gerhard Vetter，et al.Multiphase Pumping with Twinscrew Pumps－understand and Model Hydrodynamics and Hydro－abrasive wear［C］.17th Texas A＆M International Pump Users Symposium，2001.

［7］ Gonzalez R，Corpoven.S A.Two－Screw Multiphase Pump Behavior In Heavy Crude Oil［C］.SPE Latin America／Caribbean Petroleum Engineering Conference，1996.

Characteristic Analysis of Twin－Screw Multiphase Pump

LIANG Guang－chuan1，CHENG Yuan－jing1，2，LIAO Chong－chun3，MA Pei－h(huán)ong3，ZHAO Yi3
（1.Petroleum Engineering Institute，Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China；2.Engineering Design Co.，Ltd.，CNPC，Chengdu610015，China；3.Engineering Department，Northwest Oilfield Company，Sinopec，Urumqi 830011，China.）

This paper consist with research achievements about characteristic study of twin－screw pump and a variety of performance curves of twin－screw pump.Its backflow boost pressure character takes advantage of the compressibility of gas to increase the volumetric efficiency of the pump.Backflow loss and volumetric efficiency are pivotal index of discharge characteristic，they are affected by inner gap size and operating parameters.It is complex that discharge pressure and GVF and rotate speed，etc，effect the volumetric efficiency.The cubage pressure increases gradually along the screws.For single phase flow，the pressure increases progressively and linearly.The pressure gradient of exit end goes up with the GVF increasing.Shaft power of the pump isn’t affected by the GVF.Pump efficiency increases with the rotate speed decreasing and decreases with the GVF increasing.When viscosity increases the shaft power and volumetric efficiency and hydraulic loss will increase and the change of pump efficiency need to be confirmed by experiments.This study has a great means to select and maintain the twin－screw pump.

twin－screw pump；characteristic analysis；volumetric efficiency

1001－3482（2012）06－0014－03

TE933.3

A

2011－12－19

國家重大專項(xiàng)“塔里木盆地大型碳酸鹽巖油氣田勘探開發(fā)示范工程”專題四：超稠油集輸與處理技術(shù)配套（2008ZX05049）

梁光川（1972－），重慶人，副教授，博士，主要從事油氣儲運(yùn)方面的教學(xué)和研究工作，E－mail：lgcdjr＠163.com。