全金屬螺桿泵機(jī)械特性與節(jié)能探討

孫瑩，張鵬

（1.大慶油田力神泵業(yè)公司，黑龍江 大慶 163000；2.大慶石油管理局有限公司松原裝備制造分公司，吉林 松原 138000）

螺桿泵原來采用橡膠定子，可以很好地滿足稠油開采要求，但是稠油熱采的溫度都比較高，可以達(dá)到200℃左右，這就對橡膠的高溫耐受性提出了更高的要求，采用全金屬螺桿泵得到了人們的廣泛關(guān)注。全金屬螺桿泵的定、轉(zhuǎn)子是由特種金屬材料加工制作而成，定轉(zhuǎn)子之間可以實(shí)現(xiàn)合理間隙配合，該種螺桿泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地滿足螺桿泵高溫?zé)岵傻囊?。很多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)仿真方法來對全金屬螺桿泵的性能進(jìn)行分析和研究，研究的方向主要是螺桿泵排量特性，機(jī)械特性方面的研究比較少，本文將對全金屬螺桿泵具備的機(jī)械特性展開分析，不對節(jié)能效果進(jìn)行探討。

1 全金屬螺桿泵技術(shù)特點(diǎn)

該種螺桿泵運(yùn)行原理和傳統(tǒng)螺桿泵比較接近，定、轉(zhuǎn)子相互間的嚙合運(yùn)動(dòng)會在泵內(nèi)部形成多個(gè)腔室，流體會由于轉(zhuǎn)子的動(dòng)轉(zhuǎn)順著軸向不斷向前運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能與流體動(dòng)能的轉(zhuǎn)變，從而完成流體的人工舉升。是把原來的橡膠定子轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷娜饘俣ㄗ?，有著很好的耐高溫、耐磨損和耐腐蝕性能，具有很長的使用壽命。定轉(zhuǎn)子相互間隙達(dá)到以很好的配合，摩擦力較小，啟動(dòng)螺桿泵運(yùn)行比較便利，具有很好的節(jié)能效果。

2 全金屬桿泵機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)

2.1 采用實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)辦法

為了深入分析不同工況下全金屬螺桿泵機(jī)械特性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可以采用電機(jī)來實(shí)現(xiàn)對全金屬桿泵的驅(qū)動(dòng)，流體會隨著泵體運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)人工舉升，通過測量裝置后再回到池內(nèi)。再采用變頻器、壓力控制閥來實(shí)現(xiàn)螺桿泵運(yùn)行速度和壓差的控制，采用扭矩測量儀、壓力表和流量計(jì)等來實(shí)現(xiàn)對機(jī)械特性的測試。全金屬螺桿泵型號采用在油田應(yīng)用的JDGLB160-18，泵級數(shù)為18，導(dǎo)程達(dá)到160mm，轉(zhuǎn)子直徑尺寸為50mm，偏心距達(dá)到5.5mm，理論流體排量為每轉(zhuǎn)176mL。實(shí)驗(yàn)采用的介質(zhì)為清水，在常溫情況下進(jìn)行試驗(yàn)，并結(jié)合油田生產(chǎn)的實(shí)際條件，把壓差控制在14MPa 的區(qū)間內(nèi)，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法為：

（1）重載實(shí)驗(yàn)，利用變頻器輸出頻率的調(diào)節(jié)把電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度控制在每分鐘50、100、150、200 轉(zhuǎn)，再應(yīng)用壓力調(diào)節(jié)閥來對螺桿泵出口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，來對不同轉(zhuǎn)速情況下的扭矩與壓差關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

（2）空載實(shí)驗(yàn)，把壓力調(diào)節(jié)閥門處于打開狀態(tài)，在工作壓差為零時(shí)，利用變頻器輸出頻率實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而對空載條件下扭矩與轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過重載實(shí)驗(yàn)方式獲取到性能數(shù)據(jù)，從而得到扭矩和工作壓差、轉(zhuǎn)速的關(guān)系。從試驗(yàn)結(jié)果可以得知，全金屬螺桿泵的運(yùn)行扭矩和工作壓差呈現(xiàn)出正比例線性關(guān)系，如果工作壓差保持不變，扭矩跟著轉(zhuǎn)速的提升而不斷變大。全金屬螺桿泵運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子負(fù)載扭矩主要有舉升流體時(shí)所需的水力扭矩，把螺桿泵具備的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w流動(dòng)。泵體內(nèi)存在的摩擦扭矩，會形成機(jī)械能的流失。因?yàn)樗εぞ乜梢圆捎美碚撆帕窟M(jìn)行計(jì)算，重載條件下的扭矩公式為：是螺桿泵重載條件下的扭矩，是流體舉升時(shí)所需要的水力扭矩，是泵體內(nèi)部摩擦扭矩，工作壓力差值。重載條件下的螺桿泵內(nèi)部摩擦扭矩主要來自于工作壓差腔室內(nèi)部液壓的定轉(zhuǎn)子摩擦扭矩，還有與運(yùn)行速度有關(guān)的轉(zhuǎn)子離心引起的定轉(zhuǎn)子摩擦扭矩，轉(zhuǎn)速、黏度相關(guān)的定轉(zhuǎn)子間隙形成的黏性摩擦扭矩。泵體內(nèi)部的摩擦扭矩與壓差呈現(xiàn)出正比關(guān)系，壓差保持不變時(shí)，會跟著轉(zhuǎn)速的提升而不斷變大。對性能曲線進(jìn)行擬合可以看出，運(yùn)行速度不同時(shí)，與工作壓差相關(guān)摩擦扭矩和壓差正比例系統(tǒng)基本相同，系數(shù)為每兆帕可為13.132 牛米，工作轉(zhuǎn)速相關(guān)的摩擦扭矩與泵體運(yùn)行速度也呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，系數(shù)為可為0.432 牛米。

2.3 空載特性

從空載試驗(yàn)中，可以獲取到扭矩和轉(zhuǎn)速相互間的關(guān)系，如果運(yùn)行速度不超過每分鐘100 轉(zhuǎn)，空載扭矩不會大于40牛米?？蛰d條件沒有產(chǎn)生工作壓差，空載扭矩是由轉(zhuǎn)速有關(guān)的摩擦扭矩決定。螺桿泵運(yùn)行扭矩會跟著轉(zhuǎn)速的提升表現(xiàn)出線性增長趨勢，通過擬合分析可以看出，該數(shù)據(jù)結(jié)果和重載條件下的工作轉(zhuǎn)速有關(guān)的摩擦扭矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式相同，也可以看出全金屬螺桿泵定、轉(zhuǎn)子間隙配合條件下，因?yàn)檗D(zhuǎn)子離心運(yùn)轉(zhuǎn)而引起的泵內(nèi)部摩擦影響并不大。

3 全金屬桿泵機(jī)械特性分析

3.1 軸功率和機(jī)械效率

3.2 機(jī)械特性的修正

由于全金屬螺桿泵機(jī)械特性受到了工作壓差、運(yùn)行速度和介質(zhì)黏度等方面的影響，每個(gè)生產(chǎn)廠家一般在額定運(yùn)行速度條件下測試清水舉升的特性曲線。所以，需要對特定結(jié)構(gòu)方式下的全金屬螺桿泵機(jī)械特性進(jìn)行修正分析，可以把軸功率和工作壓差的公式簡化為：，公式中A 是與運(yùn)行速呈現(xiàn)正比例關(guān)系的軸功率曲線特征量，B 是與轉(zhuǎn)速平方呈現(xiàn)出正比例關(guān)系的軸功率曲線特征量。

特定泵型號下的清水舉升特性曲線，A、B 則代表著關(guān)系曲線的斜率和截距。再考慮介質(zhì)黏度的影響方面可以看出，由于工作壓差的不斷提高，全金屬螺桿泵機(jī)械效率會快速提高，后處于平緩狀態(tài)，但無法突破機(jī)械效率。不同流體物質(zhì)黏度對泵體機(jī)械效率的影響可以看出，工作壓差不變的情況下，機(jī)械效率會跟著流體介質(zhì)黏度的提高而變小，運(yùn)行速度變得越高則機(jī)械效率會變低。當(dāng)前，研究人員認(rèn)為全金屬螺桿泵可以滿足更高黏度油液的開采，通過提升運(yùn)行速度來保證人工舉升能力。如果流體黏度太大，會對機(jī)械性能造成影響，運(yùn)行效率則無法得到保證。所以，全金屬螺桿泵的應(yīng)用環(huán)境和工作性能參數(shù)存在著合理區(qū)間，需要根據(jù)實(shí)際的采油情況來選用。

4 節(jié)能效果分析

全金屬螺桿泵在不同過盈程度條件下與傳統(tǒng)螺桿泵性通進(jìn)行比較，泵體定轉(zhuǎn)子采取過盈配合后，極限機(jī)械效率會從原來的68.08%減小到51.6%。把節(jié)能率作為分析指標(biāo)，與傳統(tǒng)螺桿泵達(dá)到以的節(jié)能效果進(jìn)行比較來看。運(yùn)行速度保持在每分鐘100 轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)電率會跟著工作壓差的提高而減少，并達(dá)到平緩狀態(tài)。低工作壓差大于10MPa 時(shí)，節(jié)電率可以超過25%。但在8MPa 工作壓力情況下，節(jié)電率會跟著轉(zhuǎn)速的上升而不斷減少，與不同過盈配合狀態(tài)的傳統(tǒng)螺桿泵進(jìn)行比較來看，運(yùn)行速度小于每分鐘200 轉(zhuǎn)，全金屬螺桿泵節(jié)電率可以大于20%。