海上注水泵數(shù)值計算和性能優(yōu)化分析

朱浩波，朱傳智，張 哲，宋 健

（中國石油渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司工業(yè)泵制造廠，天津 300280）

0 引言

注水泵作為海上平臺的重要設(shè)備，用來向海底地殼灌注高壓水，保持地層壓力，根據(jù)采多少油、注多少水的原理，一邊采油、一邊注水，如果缺少高壓注水泵，難以開展海上采油作業(yè)。由于油田區(qū)塊注水開發(fā)不斷調(diào)整，油田整個生命周期內(nèi)的注水流量改變范圍及其注水壓力均比較大，直接影響著注水泵的選型。注水泵作為主要的能耗設(shè)備，耗電量約為生產(chǎn)用電的30%。為提升海上油氣開采速度及效率，設(shè)法縮短開發(fā)周期、減少開采所用成本，需要盡量降低投入成本及能源消耗，達到節(jié)能減排的效果。選取某海上平臺離心式注水泵開展優(yōu)化設(shè)計，依托前處理軟件進行干預，對多級泵結(jié)構(gòu)提供相應的數(shù)據(jù)及理論支持，不僅可以縮短研發(fā)周期，也能在一定程度上節(jié)約成本。

1 海上平臺注水主要特點

海上平臺注水流程較為簡單，配水操作依靠簡單的節(jié)流閥進行，簡化為水源井—注水泵—節(jié)流閥—注水井的模式。管網(wǎng)采用較為簡單的枝狀管網(wǎng)，所用注水管線短，從注水泵到井口管損較小。同時，注水井各井口間設(shè)定的間距較小，各井口節(jié)流閥前壓力是相等的。為滿足井口壓力的注水井相關(guān)要求，使得井口壓力偏小的注水井處于配水器處節(jié)流損傷更大。

海上平臺注水有以下特點：①注水流量波動范圍比較大且注水壓力處于恒定狀態(tài)，選取某個海上油田注水指標為對象，注水流量處于5～288 m3/h，變化范圍比較大（表1）[1]；②注水工況小部分年份出現(xiàn)高揚程、小流量的工況，對注水泵選項及其正常運行產(chǎn)生不利影響。

表1 某海上平臺注水指標

2 注水泵結(jié)構(gòu)及強度計算

2.1 注水泵結(jié)構(gòu)分析

注水泵通常安裝于海洋平臺或者陸地平臺上，所處位置偏僻、條件比較惡劣，泵結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得尤為重要。多級泵是指2只或超過2只葉輪的泵，能夠分段開展多級次吸水及壓水，將水揚到比較高的位置，可按實際需求揚程逐級增減水泵葉輪。多級泵由于揚程需要應配2極電機，或通過增加葉輪個數(shù)來配用4極電機，有效提高泵使用壽命和降低機組噪聲。如果泵實際需要揚程＜125 m時，可依據(jù)泵價格（多級泵一般比單級泵價格偏高）等因素綜合考慮該選用單或多級泵[2-3]。

多級離心泵常用在礦山排水、工廠供水等領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)灌溉中使用的較少，只適合用在高揚程、小流量山區(qū)提水解決該地區(qū)人畜飲水問題。多級離心泵主要類型為立式和臥式，這兩種離心泵泵軸均設(shè)置可以串聯(lián)2個以上的葉輪，其與常規(guī)的單級離心泵比較，能夠達到高揚程需要。與活塞泵、隔膜泵等相比，支持泵送較大的流量[4]。多級離心泵工作效率較高，可以達到高揚程、高流量工況，廣泛應用到建筑、消防、石化等領(lǐng)域。

多級離心泵由于自身的特殊性，與單級離心泵比較，其從設(shè)計、應用、維護等方面均有更高的要求。但由于在使用時忽視細節(jié)或考慮不周到，導致多級離心泵投入使用后頻繁出現(xiàn)異常、抱軸等事故，嚴重情況下引起停機。通過分析已有的多個水力模型并借鑒相對成熟的設(shè)計經(jīng)驗，對多級泵進行水力設(shè)計。

按照實際的工況要求與以往經(jīng)驗相結(jié)合，泵整體使用首級雙吸、次級單吸的模式，泵進口端使用流線型分水設(shè)計，確保其可以順利繞流不會構(gòu)成旋渦。注水泵選用10級葉輪設(shè)置180°對稱式雙渦室，相當于多個離心泵串聯(lián)，一級一級增壓，可獲得較高的壓頭。葉輪獨立定位，確保分節(jié)流量調(diào)節(jié)不會降低泵壓力及效率。

為保證所配置的零件擁有較好的耐腐蝕性，進出水段采用鑄造件機構(gòu)，能在一定程度上降低中間工序因材料腐蝕帶來的不良影響。吸入、吐出段均使用簡單結(jié)構(gòu)，便于進行一系列的應力計算。轉(zhuǎn)子部分由葉輪、平衡轂等零部件組成，葉輪與軸設(shè)計為熱套裝結(jié)構(gòu)，有助于增加轉(zhuǎn)子的剛性。葉輪入口面向吸入端依據(jù)順序進行排列，依托卡環(huán)嵌入至軸槽中，確保軸向定位。

注水泵導葉形狀較為復雜，其介質(zhì)具有較高的流速，導葉損失在泵內(nèi)占據(jù)比較大的比例。想要提高其工作效率，對導葉設(shè)計過程中應將結(jié)構(gòu)布置考慮在內(nèi)。背導葉不僅要將進出口擴散及速比情況考慮在內(nèi)，還應關(guān)注導葉與下級葉輪兩者間的銜接，促使流動處于平滑暢通的狀態(tài)。

2.2 葉輪設(shè)計方案

現(xiàn)階段，海上采油平臺具有非常繁重的生產(chǎn)任務，為保證滿足海上采油生產(chǎn)要求，對于注水量的需求不斷增加。針對上述情況，注水泵由單臺運行變?yōu)槎嗯_并聯(lián)運行設(shè)計，由于每個泵出口管路特性有顯著的區(qū)別，導致兩臺離心泵開展并聯(lián)運行時均在非穩(wěn)定工況條件下，在一定程度上降低注水泵的運行效率，導致其故障頻發(fā)。

提水葉輪作為注水泵的關(guān)鍵部件，其制造情況對水泵性能及其機組穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。為得到具有良好性能的葉型，傳統(tǒng)方法先根據(jù)模型換算法或速度系數(shù)法對葉片截線、流道等進行計算。依據(jù)圖紙制作相應的模型，開展反復試驗，最終獲得滿足要求的葉片形狀[5]。整個過程比較費時、費力，且需要耗費大量的成本。

Pro/E軟件作為一款從設(shè)計到生產(chǎn)均達到機械自動化要求的軟件，也是按照特征進行各項操作的實體造型系統(tǒng)[6]。Pro/E軟件還設(shè)計相應的實體模型及薄壁模型的有限元網(wǎng)格自動生成功能，方便進行有限元分析，不同參數(shù)化應力及范圍條件均能反饋在實體模型上，既支持設(shè)計人員定義參數(shù)化荷載及其邊界條件。根據(jù)Pro/E軟件以上特點，本文設(shè)計的葉輪三維模型均在Pro/E軟件中實現(xiàn)。

因本次研究的注水泵缺少泵型圖紙而只有實物，依托對葉輪實物展開測繪，按照已有的葉片各項數(shù)據(jù)，通過Pro/E軟件為葉輪流道及葉片設(shè)計相應的三維模型（圖1）。必須注意，葉輪級之間過渡流道不可過于復雜，不僅可以方便鑄造，也能降低阻力損失。兩端軸封側(cè)需要設(shè)置低壓級，降低軸封遭受的壓力。相鄰的兩級葉輪之間揚程差不可過大，從而減少級間泄漏和壓差。綜合分析可知，這種注水泵以背靠背對稱布置方法。

圖1 葉輪三維模型

2.3 強度求解

軸強度：按照第四強度理論校核相關(guān)要求，當安全系數(shù)nd＜13時，必須開展疲勞強度校核，疲勞安全系數(shù)n≥[n]，[n]=1.8～2.5[7]。經(jīng)過分析與計算可知，泵危險截面的安全系數(shù)為18.2，不需要進行疲勞強度校核，因此，轉(zhuǎn)子組件能滿足強度相關(guān)要求。臨界轉(zhuǎn)速：由于泵軸軸徑相對較長，要盡可能降低撓度。在保證最大使用功率滿足要求前提下，通過較大扭矩，葉輪軸徑按照95 mm、110 mm進行設(shè)計，在確保軸長度相同基礎(chǔ)上展開對比分析（表2）。

表2 注水泵參數(shù)對比

借助Ansys軟件中的Modal分析模塊對注水泵軸系進行模態(tài)分析可知：如果若葉輪軸徑為95 mm，一階臨界與工作轉(zhuǎn)速比較接近，不能滿足使用要求；葉輪軸徑為110 mm時，一階臨界轉(zhuǎn)速達到4169.4 r/min；如果轉(zhuǎn)速處于2980 r/min（＜0.8×4169.4 r/min）屬于剛性軸，且達到使用要求。基于此，挑選葉輪軸徑110 mm實施參數(shù)優(yōu)化。

3 模型優(yōu)化研究

必須設(shè)計多級泵流場的三維造型。由于計算機實際運行情況及操作中泵損失嚴重的區(qū)域為長、短過渡流道，針對這種情況，分析并計算兩級長、短過渡流道區(qū)域，網(wǎng)格劃分之后，通過CFD流體動力學模擬軟件對多級泵開展三維數(shù)值求解。

3.1 短過渡流道數(shù)值結(jié)果分析

對兩級短過渡流道的壓力及其速度分析發(fā)現(xiàn)，吸入室與過渡流道中壓力變化比較明顯。如果葉輪與壓出室耦合面周邊總壓比較大，出現(xiàn)一些高壓區(qū)，靠近壓出室隔板頭部與隔舌周圍，高壓區(qū)范圍比較廣。分析發(fā)現(xiàn)，流體進到壓出室后，流體動能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，這種情況下速度不斷減小，壓力隨之增大。不同流道流動狀況相似，變化不明顯。若二級葉輪接近隔板頭部周圍葉輪流動中流動比較紊亂，存在旋渦促使這個部位葉片工作面速度比較大。

3.2 長過渡流道數(shù)值結(jié)果

根據(jù)靜壓分布云圖發(fā)現(xiàn)，吸入室和過渡流道中的壓力并未出現(xiàn)明顯的改變。分析其流線圖發(fā)現(xiàn)，當流體順利進入壓出室后，流體動能因轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，導致速度在這個階段隨之減小，壓力有所增加。對其局部進行研究可知，一級葉輪流動情況較好，流動比較均勻；二級葉輪與隔板頭部更為接近，其葉輪流道內(nèi)的流動比較紊亂存在旋渦，促使這部位葉片工作面速度比較大。

3.3 不同方案外特性預測對比

通過求解兩級長、短過渡流道可知，這兩種方案所設(shè)計揚程均能達到設(shè)計要求，與單級計算揚程比較相差較小（表3）。但這兩種方案內(nèi)，長過渡流道效率高于短過渡流道約2%，顯示長過渡流道損失相對較小。依托改善短過渡流道模型發(fā)現(xiàn)，其有利于改善注水泵的整體性能。所設(shè)計的8個短過渡流道結(jié)構(gòu)相同，而針對性地改變泵體結(jié)構(gòu)能提升注水泵的性能。

表3 機組各項參數(shù)

4 結(jié)論

油田注水旨在保持油田能力及油層壓力，達到提升供液能力、降低原油遞減率的效果。文中依托對多級泵重要區(qū)域數(shù)值模擬，不斷對其進行優(yōu)化及性能預測，最終選定海上注水泵葉輪部位的軸徑。與處于實際運行的產(chǎn)品相比，此次優(yōu)化設(shè)計的產(chǎn)品性能高出國外同一參數(shù)泵的3%～5%，能夠達到設(shè)計要求，為海上注水泵優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考。