一種新型注聚合物泵的優(yōu)化設(shè)計

安 然

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院機(jī)械與控制工程學(xué)院，山東 東營 257000)

0 引言

注聚合物泵是聚合物驅(qū)油工藝中的一種關(guān)鍵地面設(shè)備，它的主要作用是將分散并熟化好的聚丙烯酰胺母液增壓，與后續(xù)的高壓污水混合注入地層，對其性能要求是對聚合物溶液的機(jī)械剪切小，從溶液進(jìn)泵口到出泵口，最大限度保留溶液黏度。地面工藝配置中均采用一泵一井流程，注聚泵的應(yīng)用數(shù)量多，有廣闊的市場前景。

1 普通注水泵的注聚缺點

普通的油田用注水泵用來注聚將會使母液大幅度降解。一是因為注水泵普遍設(shè)計沖程短，沖次高，介質(zhì)流速過大；二是閥的落座速度快；三是閥結(jié)構(gòu)的選擇不適合高粘液體的輸送；四是構(gòu)件材料中的Ca2+、Mg2+、Fe2+給介質(zhì)帶來了不同程度的化學(xué)降解。勝利油田在聚合物先導(dǎo)性實驗中，曾用普通三柱塞注水泵注聚，泵前后的機(jī)械降解達(dá)到30%～40%，增加了注入成本，降低了驅(qū)油效果。

2 新型注聚合物泵的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)

注聚合物泵輸送的介質(zhì)是聚丙烯酰胺母液，是一種非牛頓黏彈性液體，因其對機(jī)械剪切的敏感性以及它的化學(xué)、物理性質(zhì)和驅(qū)油機(jī)理，對其注入設(shè)備提出了特殊要求。注聚合物泵技術(shù)關(guān)鍵就是提高介質(zhì)的黏度保黏率和高的可靠性。設(shè)計目標(biāo)就是要針對聚丙烯酰胺母液的性質(zhì)要求，研制一種運(yùn)動部件可靠性高、低剪切、現(xiàn)場需求最多、應(yīng)用最為廣泛的注聚合物溶液的專用設(shè)備。聚合物注入泵的主要技術(shù)考核指標(biāo)是整機(jī)性能即運(yùn)行的可靠性，以及聚合物溶液的保黏率，在設(shè)計過程中，第一保證注聚泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、性能可靠、維修方便，第二著重考慮如何減小其對介質(zhì)的機(jī)械降解。

3 注聚合物泵的基本原理

注聚泵的工作原理和普通的往復(fù)式柱塞泵一樣。臥式單缸單作用往復(fù)式柱塞泵的示意簡圖。如圖1所示，它主要由機(jī)身、柱塞、吸入閥、排出閥、液缸體、曲軸、連桿、十字頭、以及皮帶輪等傳動件部件組成。當(dāng)動力機(jī)通過皮帶等傳動件帶動曲軸以角速度ω按圖示方向運(yùn)動時，曲軸的旋轉(zhuǎn)通過連桿、十字頭轉(zhuǎn)換成柱塞的往復(fù)直線運(yùn)動，從左邊水平位置開始旋轉(zhuǎn)時，柱塞向右移動，液缸內(nèi)形成一定的真空度，吸入池中的液體在液面壓力pa的作用下，推開吸入閥，進(jìn)入液缸，直到活塞移到右死點為止。這個過程，稱為泵的吸入過程。曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動，柱塞開始向左移動，液缸內(nèi)的液體受擠壓，壓力升高，吸入閥關(guān)閉，排出閥打開，液體經(jīng)排出閥和排出管排出，直到活塞移到左死點時為止。這一過程稱作泵的排出過程。曲柄連續(xù)旋轉(zhuǎn)，柱塞連續(xù)往復(fù)運(yùn)動，柱塞往復(fù)運(yùn)動一次，單作用泵的液缸完成一次吸入和排出過程。對三缸單作用泵來講，與連桿相連的3個十字頭推動3個柱塞按120°角先后動作，使3個閥腔中的壓力依次升高或降低，排出閥依次打開或吸入閥依次打開，排出或吸入液體，完成泵的整個工作。

4 注聚合物泵基本性能指標(biāo)的確定

往復(fù)式柱塞泵的基本特性參數(shù)是指泵的流量、壓力及輸入功率等。泵的流量是指單位時間內(nèi)泵通過管道所輸送的液體量，體現(xiàn)了泵的輸送能力，是泵結(jié)構(gòu)設(shè)計運(yùn)動參數(shù)選擇的主要依據(jù)。從通用性和實用性考慮，注聚泵的設(shè)計參數(shù)首先確定為：理論排量：Q=4.0 m3/h；進(jìn)口壓力：P0=0.04-1.8 MPa；額定輸出壓力：Pa=16 MPa；整機(jī)效率：ηi≥85%；容積效率：ηv≥92%；保黏率：≥97%；噪聲：<82 db(A)；整機(jī)無故障運(yùn)行時間：≥8 000 h。

注聚泵的理論排量和輸出壓力根據(jù)現(xiàn)場需要給定，則泵的有效功率Nmax：

Nmax=Q·Pa·106/1 000·3 600；Nmax=17.7(kW)

考慮到傳動效率和聚合物性質(zhì)，Ni=Nmax/ηi泵的輸入功率?。篘i=22 kW。

由此，該注聚泵的基本技術(shù)參數(shù)為：理論排量：Q=4.0 m3/h ；額定輸出壓力：Pa=16 MPa；輸入功率：Ni=22 kW。

5 注聚合物泵主要結(jié)構(gòu)

往復(fù)式柱塞泵的結(jié)構(gòu)多種多樣，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點的不同，可分為多種。按缸數(shù)分有單缸泵、雙缸泵、三缸泵、四缸泵、五缸泵等；按作用方式分有單作用式、雙作用式泵；按液缸的布置方式分有臥式泵、立式泵、V型泵、L型泵；按傳動方式分曲柄連桿傳動、凸輪傳動、搖桿傳動、鋼絲繩傳動等機(jī)械傳動式往復(fù)泵，有蒸汽驅(qū)動、液壓驅(qū)動往復(fù)泵等。結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)考慮現(xiàn)場對設(shè)備動力類型的要求、搬遷和運(yùn)輸?shù)男枰?、工作環(huán)境及經(jīng)濟(jì)性。往復(fù)式柱塞泵缸數(shù)增加時流量趨于平穩(wěn)，但缸數(shù)增加，泵的結(jié)構(gòu)也就更加復(fù)雜，造價高，維修困難，奇數(shù)缸的泵流量不均度系數(shù)低于偶數(shù)缸的往復(fù)泵。雙作用和單作用式往復(fù)泵的流量不均度系數(shù)相同。傳動方式的選擇首先應(yīng)考慮動力來源、環(huán)境要求和工作的可靠性。液缸的布置方式的選擇應(yīng)考慮介質(zhì)的特性需要。

1.曲柄；2.連桿；3.十字頭；4.柱塞；5.排出閥；6.排出空氣包；7.排出管；8.液缸體；9.吸入閥；10.吸入管

5.1 動力端結(jié)構(gòu)的確定

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是國內(nèi)外柱塞泵中常見的一種結(jié)構(gòu)形式，有成熟的理論基礎(chǔ)，國內(nèi)外油田注聚所用的注聚泵也多集中為該結(jié)構(gòu)方式。從確保產(chǎn)品使用的可靠性方面考慮，優(yōu)先選擇了曲柄連桿機(jī)構(gòu)這種傳動形式，采用石油工程中應(yīng)用廣泛的三柱塞單作用往復(fù)泵的基本結(jié)構(gòu)形式。

1)傳動方式的確定：皮帶傳動雖然沒有恒定的傳動比和高的傳動效率，但運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音小，結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝精度要求低，使用維護(hù)方便，比較適合油田注聚單擺平放的使用要求。鑒于此，優(yōu)先選擇皮帶傳動，皮帶采用按國家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的窄V帶，其特點是傳動效率高，噪音低，適合于有沖擊，瞬間超負(fù)荷，工作速度快，環(huán)境比較惡劣的條件。

2)潤滑方式的確定：常用的潤滑方式有兩種，一種是油泵強(qiáng)制潤滑；一種是飛濺潤滑。前者適用于潤滑油不易流到的地方，或高比壓區(qū)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。后者結(jié)構(gòu)簡單，易于維修，適用于小型泵。經(jīng)計算，該泵采用飛濺潤滑可完全滿足使用要求。

5.2 液力端主要結(jié)構(gòu)的確定

按泵的吸入閥、排出閥的布置形式劃分，柱塞泵的液力端可分為直通式、階梯L式和側(cè)罐式。階梯L式流道形式呈階梯型，吸入閥和排出閥可單獨更換，使用維修方便，結(jié)構(gòu)比較緊湊，流體流動比較平穩(wěn)，可以減少振動和壓力波動。側(cè)罐式液力端的流道形式也是階梯形的，吸入閥和排出閥可單獨更換，但液缸和吸入閥閥座體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸大，多用于雙作用泵上。

考慮到聚合物液體的性質(zhì)，優(yōu)選整體直通式的液缸體結(jié)構(gòu)，吸入閥和排出閥呈直通式布置，可提高泵對高黏度介質(zhì)的輸送能力，通過對液缸體過流通道優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到有效降低對介質(zhì)的機(jī)械降解的目的。

閥組件結(jié)構(gòu)的確定：泵閥是往復(fù)泵的主要部件。泵閥結(jié)構(gòu)形式的選擇及參數(shù)設(shè)計是決定注聚合物泵對聚合物母液降解的主要因素。采用上導(dǎo)向閥應(yīng)是比較合理的，球閥的密封效果較錐閥更可靠，采用一種球閥和上導(dǎo)向的結(jié)合體會有更理想的效果。

6 注聚合物泵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

對注聚合物泵的設(shè)計來說主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有柱塞平均速度um、沖數(shù)n、沖程s。沖次和沖程是結(jié)構(gòu)參數(shù)中影響最大的兩個參數(shù)。就往復(fù)泵而言，目前還缺乏一系列可靠的統(tǒng)計資料可以借鑒以及可靠的公式可以利用，注聚合物泵的設(shè)計只能參照往復(fù)泵的某些規(guī)律性的數(shù)據(jù)，加之現(xiàn)場試驗驗證進(jìn)行選擇。

1)柱塞平均速度um的選擇原則：功率小的泵選擇較小的um，功率大的泵選擇較大的um；直接作用泵較機(jī)動泵的um低；壓力高的泵um低；當(dāng)輸送不含雜質(zhì)、黏度較低的介質(zhì)時可選擇較大的um值，反之則應(yīng)選擇較小的um值。

2)沖數(shù)n的選擇原則是：缺乏良好的灌注條件時不能選擇高的曲軸轉(zhuǎn)速；不能因為n偏高而使動力端的工作條件惡化；不能因為n偏高，使易損件的工作壽命急劇縮短，增加維修費用；但也不能因n過低而使泵的長度大量增加，使泵變的笨重。

6.1 柱塞平均速度um的確定

柱塞平均速度對泵的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)轉(zhuǎn)都有很重要的影響，um值過大可減小泵的體積，但會加快各運(yùn)動副的摩擦，加速磨損，吸入性能差，um值過小泵的體積增大，但會減少各運(yùn)動副的摩擦和磨損，改善吸入性能。對注聚泵的設(shè)計來講，um值的計算目前沒有理論或經(jīng)驗公式可供使用或參考。但勿庸置疑，輸送聚合物這種高黏度的液體um應(yīng)選擇較小值。

據(jù)對現(xiàn)有的聚合物驅(qū)地面裝備的調(diào)查，泵類設(shè)備的剪切速率應(yīng)小于60 s-1聚合物的黏度損失較小。剪切速率即運(yùn)動部件在聚合物溶液中做剪切方向運(yùn)行的速率。速率過大，則聚合物分子會受到不同程度的破壞[1-2]。

um應(yīng)≤0.7 m/s

6.2 沖數(shù)n的確定

對注聚泵而言，設(shè)計時應(yīng)盡量降低泵的沖次。降低泵的沖次，一是可以減少閥門對聚合物分子鏈的剪切次數(shù)，減少機(jī)械降解，提高保黏率；二是可以提高泵的吸入能力，取消喂入泵，以減少喂入泵對介質(zhì)的降解。

經(jīng)過對同1臺泵的對比試驗，得到了注聚泵的容積效率ηv隨泵轉(zhuǎn)速n的變化規(guī)律。由此可知，泵的轉(zhuǎn)速越低，注聚泵容積效率越高。但當(dāng)?shù)偷揭欢ǔ潭群螅莘e效率增加的并不明顯，而且在一定排量要求下，泵速太低將導(dǎo)致柱塞過大，曲軸粗壯，泵體積龐大，得不償失。一般取n=150～240 r/min。

7 結(jié)語

基于對國內(nèi)外在用注聚合物設(shè)備的調(diào)查研究，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案，通過完成流道的優(yōu)化設(shè)計，提供可供參考的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，用旋轉(zhuǎn)黏度計，對注聚泵的機(jī)械剪切情況進(jìn)行檢測，對注聚合物泵進(jìn)行了優(yōu)化。通過大量的現(xiàn)場試驗對計算數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并系統(tǒng)地提出提高注聚合物泵的保黏率和提高注聚合物泵可靠性的措施，設(shè)計制造一種新型注聚泵，并投入現(xiàn)場應(yīng)用。