集輸系統(tǒng)中螺桿泵性能影響因素與優(yōu)化對(duì)策

代兵 陳鵬 張子鵬 姚婷

摘 要：?jiǎn)温輻U泵在油田集輸系統(tǒng)中已經(jīng)發(fā)展為不可缺少的部分，因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少，效率高，節(jié)約能源的特點(diǎn)，使其在油氣輸送過程中被廣泛應(yīng)用.然而，螺桿泵的選擇也極其重要，在油氣輸送過程所需泵的排量、進(jìn)口流量、排量和楊程等因素，都直接關(guān)系到螺桿泵的工作效率。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)温輻U泵；集輸系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)原理；流量排量；工作效率

1引言

在油氣田開發(fā)過程中，用于輸送油氣介質(zhì)的單螺桿泵通常被稱混輸泵它是一種內(nèi)合嚙偏心回轉(zhuǎn)螺桿泵，屬轉(zhuǎn)子式容積泵，單頭螺桿轉(zhuǎn)子在螺孔的定子孔腔內(nèi)嚙合，形成若干密閉腔，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞定子軸作行心旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些密閉腔作螺旋運(yùn)動(dòng)在連續(xù)勻速地運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，容積不變的將密閉腔內(nèi)的介質(zhì)從吸入端送到壓出端，由于轉(zhuǎn)子一定子副嚙合的密封線，將吸入腔和排出腔有效地隔開，且轉(zhuǎn)子在定子孔內(nèi)表面并非完全滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)。

2單螺桿泵的基本結(jié)構(gòu)及原理

2.1單螺桿泵的結(jié)構(gòu)圖

2.2單螺桿泵的基本結(jié)構(gòu)

（1）電動(dòng)部分：電動(dòng)機(jī)是螺桿泵的動(dòng)力源，它將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能一般用防暴型三相異步電機(jī)。（2）減速箱部分：主要作用是傳遞動(dòng)力并實(shí)現(xiàn)一級(jí)減速它將電機(jī)的動(dòng)力由輸入軸通過齒輪傳遞到輸出軸，輸出軸聯(lián)接光桿，由光桿將動(dòng)力傳遞到螺桿泵轉(zhuǎn)子。（3）定子和轉(zhuǎn)子部分：定子是由丁睛橡膠澆鑄在鋼體外套內(nèi)形成的襯套的內(nèi)表面是雙螺旋曲面（或多螺旋曲面），定子與轉(zhuǎn)子配合.轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抽吸功能。

2.3單螺桿泵的工作原理

當(dāng)由外界的動(dòng)力原驅(qū)動(dòng)螺桿泵的螺桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺桿螺旋槽的吸入端周期性地打開，吸入腔的容積V因螺旋凹槽的打開而逐漸增大到V+ΔV。

2. 4螺桿泵動(dòng)力學(xué)分析

分析模型確定螺桿泵進(jìn)出口工作壓差一般為5-15Mpa，泵級(jí)數(shù)一般為14-40級(jí)，即單級(jí)承壓能力在0.3-0.6MPa。所謂單級(jí)是指一個(gè)完整的封閉腔室也即定子的一個(gè)完整導(dǎo)程。對(duì)轉(zhuǎn)子液壓力的分析僅在一個(gè)封閉腔室即可。由于對(duì)稱性，可取半個(gè)導(dǎo)程即一個(gè)轉(zhuǎn)子螺矩t長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行分析。為計(jì)算方便，建立轉(zhuǎn)子空間曲面方程如下：

將定轉(zhuǎn)子分成多個(gè)獨(dú)立封閉腔室。定轉(zhuǎn)子的線嚙合和點(diǎn)嚙合組成的嚙合線由線嚙合線方程得嚙合線的軸向移動(dòng)速度，即密封腔室的推移速度。

當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子的嚙合工作長(zhǎng)度為定子導(dǎo)程和整數(shù)倍時(shí)，封閉腔室的產(chǎn)生和消失同時(shí)發(fā)生；當(dāng)非完整定子導(dǎo)程部分小于轉(zhuǎn)子螺距時(shí)，封閉腔室產(chǎn)生和消失不同時(shí)發(fā)生；當(dāng)非完整定子導(dǎo)程部分大于轉(zhuǎn)子螺距時(shí)，封閉腔室的產(chǎn)生和消失同時(shí)發(fā)生。

2. 5工作參數(shù)對(duì)螺桿泵工作特性影響

工作轉(zhuǎn)速對(duì)單級(jí)承壓能力的影響工作轉(zhuǎn)速與泵的排量成正比，同時(shí)由前文所述，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，可有效減少漏損，增加泵的舉升能力。

2 .6溫度對(duì)螺桿泵工作特性的影響

定子橡膠襯套在實(shí)際工況環(huán)境下，其體積將發(fā)生熱脹，熱脹的結(jié)果是增加定、轉(zhuǎn)子間的過盈，進(jìn)而可提高螺桿泵的舉升能力。螺桿泵在不同溫度下測(cè)得的單級(jí)承壓能力變化曲線。可見，溫度的增加會(huì)有效提升舉升能力。而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)螺桿泵轉(zhuǎn)子負(fù)載扭矩?zé)o明顯影響。

2. 7定子型線精度對(duì)螺桿泵工作特性影響

（1）橡膠特性定子在制造過程中，定子橡膠要經(jīng)過擠注、硫化等工藝，橡膠自身的熱塑性決定了厚度相差較大的橡膠在每一點(diǎn)處的變形量是不一致的。 （2）芯軸定子襯套的制造是采用在定子鋼體外套與芯軸之間擠入橡膠，經(jīng)硫化后形成的。 （3）溫度由于橡膠的熱脹性，在溫度發(fā)生變化后，其定子襯套橡膠會(huì)發(fā)生體積膨脹，同時(shí)因?yàn)槎ㄗ酉鹉z厚度的不均勻性，導(dǎo)致定子型線的變形，使定子型線精度下降。（4）舉升介質(zhì)螺桿泵長(zhǎng)期在油氣水三相介質(zhì)中工作，油氣對(duì)定子橡膠的物理化學(xué)作用會(huì)使定子橡膠發(fā)生溶脹，同樣溶脹會(huì)使定子型線發(fā)生變形降低定子型線精度。（5）工作壓力螺桿泵工作腔室的壓力將壓縮定子橡膠，同樣會(huì)使定子型線發(fā)生變形降

低定子型線精度。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

單螺桿泵已經(jīng)全面推廣使用，由于油井原油生產(chǎn)狀況很不穩(wěn)定，在一段時(shí)期內(nèi)有可能氣體含量很高，而另一段時(shí)期內(nèi)液體含量很高根據(jù)油區(qū)的具體情況，混輸介質(zhì)溫度在8一20℃時(shí)，平均粘度在400-1000mpa.s，范圍內(nèi)，單螺桿泵實(shí)現(xiàn)降低井口回壓、增加原油產(chǎn)量、提高開發(fā)效益以及達(dá)到油氣密閉輸送目的.：在混輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，把如何提高輸送效率、減少電力消耗過程等問題作為攻關(guān)課題，確保油氣集輸系統(tǒng)安全、可靠、科學(xué)

4單螺桿泵的優(yōu)點(diǎn)

4.1 結(jié)構(gòu)和原理

（1）具有泵吸入性能好，泵壓穩(wěn)，擾動(dòng)小，介質(zhì)無(wú)端流和攪動(dòng)；（2）可以輸送高粘度及含磨蝕性雜質(zhì)和固體顆粒的濃縮物，也可以實(shí)現(xiàn)兩相、三相介質(zhì)的混輸，泵量程調(diào)節(jié)性能好，效率高；（3）運(yùn)送液體的種類和粘度范圍寬廣。輸送介質(zhì)溫度-100C：一1000C（特殊泵可達(dá)成1500C），最高粘度15000map.s。 （4）結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，噪音低、安裝保養(yǎng)容易。

4.2 與其他機(jī)泵相比

（1）和離心泵相比螺桿泵無(wú)需安裝閥門流量，是穩(wěn)定的線性流動(dòng)；（2）和柱塞泵相比螺桿泵具有自吸能力強(qiáng)、吸入高度強(qiáng)；（3）和隔膜泵相比螺桿泵可輸送各種混合雜質(zhì)含有氣體及固體顆?；蚶w維的介質(zhì)，也可輸送各種腐蝕性物質(zhì)；（4）和齒輪泵相比，螺桿泵可輸送高粘度的物質(zhì)；（5）和柱塞泵、隔膜泵及齒輪泵不同的是，螺桿泵也可用于藥劑填充和計(jì)量。

5單螺桿泵的局限性

雖然螺桿泵具有很多優(yōu)點(diǎn)，但在某些方面也存在一定的缺點(diǎn)：（1）定子是橡膠制造，最容易損壞，如定子壽命短，則維修泵次數(shù)多，增加了維修材料費(fèi)用。（2）泵需要流體潤(rùn)滑，如果供液不足造成抽空，泵過熱將會(huì)引起定子彈性體老化，甚至燒毀。（3）泵的性能對(duì)液體的粘度變化比較敏感。（4）螺桿的加工和裝配要求較高。（5）雖然它操作簡(jiǎn)單，若操作人員不經(jīng)常適當(dāng)操作訓(xùn)練，操作不正確，也會(huì)造成泵損壞。

6單螺桿泵在油氣集輸中維護(hù)

螺桿泵在使用過程中，應(yīng)該注意檢查、操作及保養(yǎng)項(xiàng)目，確保螺桿泵能正常高效的工作。

（1）檢查螺桿泵及管路及結(jié)合處有無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象用手轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿泵，試看螺桿泵是否靈活。（2）向螺桿泵軸承體內(nèi)加人軸承潤(rùn)滑機(jī)油，觀察油位應(yīng)在油標(biāo)的中心線處，潤(rùn)滑油應(yīng)及時(shí)更換或補(bǔ)充。（3）螺桿泵在運(yùn)行過程中，軸承溫度不能超過環(huán)境溫度350C ；，最高溫度不得超過800C.（4）定期檢查螺桿泵軸套的磨損情況，磨損較大后應(yīng)及時(shí)更換。（5）經(jīng)常調(diào)整螺桿泵填料壓蓋，保證填料室內(nèi)的滴漏情況正常（以成滴漏出為宜）。（6）盡量控制螺桿泵的流量和揚(yáng)程在標(biāo)牌上注明的范圍內(nèi)，以保證螺桿泵在最高效率點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，才能獲得最大的節(jié)能效果。（7）螺桿泵要停止使用時(shí)，關(guān)好螺桿泵出水管路的閘閥和出口壓力表及進(jìn)口真空表。（8）螺桿泵在寒冬季節(jié)使用時(shí)，停車后，需將泵體下部放水螺塞擰開將介質(zhì)放凈，防止凍裂。（9）螺桿泵長(zhǎng)期停用，需將螺桿泵全部拆開，擦干水分，將轉(zhuǎn)動(dòng)部位及結(jié)合處涂以油脂裝好，妥善保存。

7結(jié)束語(yǔ)

螺桿泵隨著合成橡膠技術(shù)和粘接技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)目前，油田地面采用油氣水多相混輸技術(shù)已成為油氣集輸?shù)谋厝悔厔?shì)，螺桿泵又是多相混輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，極大地促進(jìn)螺桿泵油氣集輸技術(shù)的成熟性同時(shí)，螺桿泵低投資、低能耗、對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)在油田地面挖潛增效的作用日益凸顯。

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