單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵的幾何理論與排出特性研究

張冰喆，宋緒丁

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710054）

單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵的幾何理論與排出特性研究

張冰喆，宋緒丁

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710054）

提出了一種新型的單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵，介紹了該泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。針對(duì)單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵的運(yùn)行工況，利用Fluent軟件建立混輸泵排出過(guò)程的數(shù)值模型。通過(guò)數(shù)值分析，得到了排出過(guò)程的流場(chǎng)壓力分布與混輸泵的瞬時(shí)排出流量。為之后樣機(jī)的制造提供了數(shù)據(jù)支持，并為進(jìn)一步研究往復(fù)式的油氣混輸泵提供了參考依據(jù)。

單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵；幾何理論；排出特性

自從20世紀(jì)80年代，國(guó)外開(kāi)始以各大科研機(jī)構(gòu)、石油公司和設(shè)備公司多方聯(lián)合的方式，投入大量的人力物力進(jìn)行多相混輸技術(shù)的研究，已經(jīng)陸續(xù)研發(fā)出了“海神”系列螺旋軸流式多相混輸泵、多級(jí)離心混輸泵系統(tǒng)、膜片式混輸泵等一系列混輸泵產(chǎn)品[1]。國(guó)內(nèi)方面從20世紀(jì)90年代開(kāi)始地面螺旋式混輸泵的研究工作[2]，也產(chǎn)生了不同類(lèi)型的泵，關(guān)于混輸泵的研究主要是對(duì)現(xiàn)有的泵進(jìn)行優(yōu)化改造和開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)的機(jī)型，以致力于提高泵的工作性能和降低制造的成本[3]。

本文提出了一種新型的單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵，該泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、摩擦磨損小，可以滿足油田生產(chǎn)的油氣混輸及伴生氣回收利用的要求。本文主要討論該泵的幾何理論、工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為進(jìn)一步的仿真優(yōu)化和樣機(jī)的制造提供了理論和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵的結(jié)構(gòu)分析

1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1顯示了單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵的基本結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，由圖1可見(jiàn)，單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵由活塞、缸體、氣相單向閥體及液相單向閥體等組成。液相單向閥與氣相單向閥均與缸體相通，中間由活塞隔斷，這樣便在剛體內(nèi)形成了兩個(gè)工作腔，分別是進(jìn)液腔和進(jìn)氣腔。該泵的動(dòng)力端采用的是曲軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，油泵工作時(shí)，活塞由曲軸結(jié)構(gòu)帶動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞由曲軸帶動(dòng)向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)液腔的工作壓力減小，原油被吸入缸體內(nèi)。與此同時(shí)，進(jìn)氣腔工作壓力增大，氣體被壓出剛體。同理，活塞由曲軸帶動(dòng)向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體被吸入缸體，同時(shí)原油被壓出缸體。

圖1 單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵的基本結(jié)構(gòu)

單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容積效率高。由于活塞和缸體內(nèi)孔都是圓柱表面，容易得到高精度的配合，密封性能好，在高壓下工作仍能保持較高的容積效率和總效率。

（2）摩擦磨損小，運(yùn)行壽命長(zhǎng)。進(jìn)液腔和進(jìn)氣腔共用一個(gè)缸體，當(dāng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)液的原油既是傳動(dòng)介質(zhì)，又起到潤(rùn)滑的作用，使液壓系統(tǒng)具有剛性。

（3）散熱效率高。在混輸泵的運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)氣腔的氣體壓縮會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，氣體被壓出缸體后，隨后進(jìn)入的液相原油會(huì)對(duì)缸體產(chǎn)生一定的降溫作用，防止泵體部件持續(xù)受熱造成過(guò)熱變形甚至損壞。

（4）易于加工，成本低。單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵的主要零件的表面形狀為圓，因此極易保證加工精度，也易于裝配和檢修，特別是不存在偏心運(yùn)動(dòng)的曲軸，加工成本低。

1.2 原始設(shè)計(jì)參數(shù)

由圖1中可以看出，活塞將缸體分成了2個(gè)獨(dú)立的工作腔，兩個(gè)工作腔都設(shè)有進(jìn)出閥，并且兩個(gè)工作腔的工作過(guò)程互不影響，因此可以將混輸泵的工作過(guò)程分別看作是兩個(gè)單缸單作用往復(fù)泵的工作過(guò)程。

本文所研究的單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵的缸套內(nèi)徑D=0.1 m，沖程D=0.3 m，沖次n=30 min-1.

1.3 數(shù)值分析

（1）幾何模型建立。為了便于建模，簡(jiǎn)化缸筒為長(zhǎng)方形，忽略支撐裝置。由于支撐裝置只起到對(duì)設(shè)備的支持作用，對(duì)泵效沒(méi)有影響，因此在建立模型時(shí)可以忽略它。而單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵泵腔是規(guī)則的圓柱體，把它簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方形是合理的。根據(jù)原始設(shè)計(jì)參數(shù)，在DM模塊中建立流場(chǎng)的平面幾何模型并命名邊界條件。

（2）計(jì)算域網(wǎng)格劃分。先取工況較為復(fù)雜的進(jìn)液腔進(jìn)行研究。將在DM模塊中建立的平面幾何模型導(dǎo)入Mesh模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流場(chǎng)選用用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，再利用Ansys Workbench軟件中自帶的功能對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分[4]。

（3）流場(chǎng)邊界條件劃分。進(jìn)液?jiǎn)蜗蜷y和出液?jiǎn)蜗蜷y的開(kāi)啟和關(guān)閉都是由于閥體受到的壓力變化引起的，所以可以用壓力邊界條件來(lái)代替。考慮到氣體易于壓縮，導(dǎo)致密度產(chǎn)生變化，故入口邊界條件采用質(zhì)量流量入口（mass-flow-inlet）邊界條件，可以給定質(zhì)量流量和入口壓力。出口邊界條件采用壓力出口（pressure-outlet）邊界條件，出口壓力為3 MPa.壁面邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面（wall）邊界條件。

2 數(shù)值分析與結(jié)果處理

根據(jù)CFD軟件分析流程，先將流場(chǎng)網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent模塊中進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。采用Standard k-ε模型、Mixture多相流模型，設(shè)置液相介質(zhì)為原油，氣相介質(zhì)為甲烷，介質(zhì)參數(shù)如表1所示。往復(fù)泵工作過(guò)程中流體域的更新通過(guò)Fluent中動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)。閥體的運(yùn)動(dòng)通過(guò)用戶自定義函數(shù)（UDF）編寫(xiě)程序，控制運(yùn)動(dòng)邊界在各個(gè)時(shí)段的速度。

表1 介質(zhì)參數(shù)

在沖次n=30 min-1，吸入壓力ps=0.3 MPa，排出壓力pd=3 MPa的條件下，對(duì)單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵進(jìn)行的運(yùn)行進(jìn)行仿真分析。下面對(duì)泵的排出過(guò)程進(jìn)行分析。

2.1 排出過(guò)程中流場(chǎng)內(nèi)的壓力分布

圖2所示為活塞運(yùn)動(dòng)到不同行程時(shí)泵缸體內(nèi)流場(chǎng)的壓力云圖，活塞對(duì)流體做功，流體進(jìn)入流道后壓力逐漸升高，直至液體出口處壓力達(dá)到最大，當(dāng)壓力大于出液?jiǎn)蜗蜷y的開(kāi)啟壓力后，閥門(mén)開(kāi)啟。閥門(mén)開(kāi)啟后流道內(nèi)的壓力瞬間得到釋放，隨后壓力逐漸趨于平穩(wěn)。矩形流場(chǎng)的四角壓力偏大，整體壓力呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)性。

圖2 排出過(guò)程壓力云圖

2.2 排出過(guò)程中的瞬時(shí)流量

往復(fù)泵的實(shí)際流量受很多因素的影響，閥門(mén)密封面的泄露、閥門(mén)關(guān)閉造成的回流損失等都有可能對(duì)實(shí)際流量造成影響，在不考慮流體的壓縮性和慣性時(shí)，排出泵的流量為：

Q=vf（1）

式中，v為活塞的運(yùn)動(dòng)速度（m/s）；f為活塞的端面面積（m2）。圖3所示曲線分別為按式（1）和CFD方法計(jì)算的瞬時(shí)排出流量。由圖3可以看出，進(jìn)液腔瞬時(shí)排出流量的CFD計(jì)算結(jié)果與理論值在排出過(guò)程的前半程基本吻合，在后半程，CFD結(jié)果大于理論值。這是因?yàn)镃FD計(jì)算時(shí)考慮了流體的運(yùn)動(dòng)慣性及壓縮性引起的。

圖3 進(jìn)液腔瞬時(shí)排出流量

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上分析，得出：

（1）排出過(guò)程的數(shù)值模擬需要將活塞及排液閥一起進(jìn)行建模，并采用動(dòng)網(wǎng)格方法解決由活塞運(yùn)動(dòng)引起的計(jì)算區(qū)域變化的問(wèn)題。

（2）在單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵的閥門(mén)開(kāi)啟瞬間，流道內(nèi)的壓力迅速增大，出口處最大壓強(qiáng)比活塞處的最大壓強(qiáng)高1.2×106MPa，矩形流場(chǎng)的四角壓力偏大，整壓力呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)性。

（3）在單缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵排出過(guò)程的下半程，流體的運(yùn)動(dòng)慣性和壓縮性導(dǎo)致進(jìn)液腔瞬時(shí)排出流量的CFD計(jì)算結(jié)果的CFD結(jié)果大于理論值，理論排液量是CFD計(jì)算排液量的0.91倍。

[1]李軍峰.油氣混輸泵的研究與發(fā)展[J].遼寧化工，2011，40（9）：980-949.

[2]李松山，曹鋒，邢子文.海底油氣多相混輸泵的研究與應(yīng)用[J].流體機(jī)械，2011，39（3）：40-44.

[3]楊旭，屈宗長(zhǎng)，吳裕遠(yuǎn).同步回轉(zhuǎn)式混輸泵的工作原理與動(dòng)力特性研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44（5）：60-65.

[4]紀(jì)冰冰，陳金瓶.ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例講解[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

Geometric Theory and Discharging Performance of the Single Cylinder Double-action Oil-gas Multiphase Reciprocating Pump

ZHANG Bing-zhe，SONG Xu-ding
（School of Construction Machinery，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710054，China）

A new is proposed and its structural characteristics and working principle are described.Aiming at the operation condition of the single cylinder double-action oil-gas multiphase reciprocating pump.Fluent was used to establish numerical value of the process of discharge.By numerical calculation，get the pressure distribution on the flow field and the instantaneous discharge flow rate of the pump.The results can provide support for prototype manufacture，in the same time，it can provide provides a reference for the study of reciprocating gas-oil multiphase pump in the future.

single cylinder double-action oil-gas multiphase eeciprocating pump；geometric theory；discharging performance

TH321

：A

：1672-545X（2017）01-0151-03

2016-10-29

張冰喆（1992-），女，山東人，碩士研究生，研究方向：油氣混輸泵。