吸入压力对往复式油气混输泵外特性的影响

张生昌，张志鸿，马　艺，邓鸿英，马中强

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

吸入压力对往复式油气混输泵外特性的影响

张生昌，张志鸿，马艺，邓鸿英，马中强

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：利用Fluent对往复式油气混输泵工作过程进行了三维动态模拟.分析了含气率(标准大气压下)为50%时吸入压力Pspan对混输泵的流量特性、指示功率和指示效率的影响.结果表明，吸入阀开启后吸入瞬时流量几乎恒定，且随吸入压力的增加而增加；排出瞬时体积流量在排出阀开启时从零突变到大于活塞体积变化率，随后降低到与活塞体积变化率近似相等.吸入压力从0.2 MPa增加到0.6 MPa时泵的排出平均流量从7 m3/h增加到11.5 m3/h，指示功率从7.6 kW增加到11.6 kW，指示效率从74.7%降低到68.3%.适当增加吸入压力能提高泵的流量，但泵的效率会有所降低.

关键词：往复式油气混输泵；流量特性；指示功率；指示效率

中图分类号：TH323

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)01-0034-05

Influence of suction pressure on characteristics of

reciprocating oil-gas multiphase pump

ZHANG Shengchang, ZHANG Zhihong, MA Yi, DENG Hongying, MA Zhongqiang

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The 3D dynamic simulation for a reciprocating oil-gas multiphase pump was conducted to study its working process using FLUENT. The influence of suction pressure Pspanon the flow characteristics, indicated power and indicated efficiency of the pump were investigated when gas rate was 50% under the standard atmosphere pressure. The results showed that the inhaled instantaneous volumetric flow rate changed slowly after the opening of the valve and increased with the increment of suction pressure. When the discharge valve was opened, the instantaneous discharged volumetric flow rate firstly increased instantly from zero to the value which was higher than the variable quantity of piston volume with time, then reduced to the approximate value of piston volume variation with time. When the suction pressure increased from 0.2 MPa to 0.6 MPa, the average discharge flow rate increased from 7 m3/h to 11.5 m3/h, the indicated power from 7.6 kW to 11.6 kW and the indicated efficiency decreased from 74.7% to 68.3%. It is useful to increase the average flow rate by raising suction pressure, while the indicated efficiency decreased.

Keywords:reciprocating oil-gas multiphase pump； flow characteristics； indicated power； indicated efficiency

随着边际油田、沙漠油田特别是海上油田的开发，以多相泵这一新型增压设备为核心的多相输送技术成为研究的热点[1].油气混输泵性能的好坏可用三个指标评价：压力、介质含气率适应范围、效率，这三个指标越高，泵的性能越好[2].目前普遍采用的油气混输泵通常效率较低，低于50%，且难以适用于高含气率的工况[2].鉴于往复泵具有效率高、平均流量恒定、泵压力与流量无关、对输送介质有较强的适应性等优点，有学者提出了往复式气液混输泵并做了许多相关研究.张生昌等对混输泵阀组特性进行了相关的研究[3-4].董世民等推导了气液混输时往复泵的理论循环指示功的计算公式[5-6]，由于理论推导过程中不能虑泵的水力损失，当活塞面上的平均压力与吸入及排出压力相差太大时理论计算的循环指示功与实际值相差太大.

CFD软件在针对气液两相流介质的泵、阀的动态分析方面以广泛应用[7-9].笔者借助Fluent中的动网格功能和多相流模型对往复式油气混输泵进行动态模拟，并对泵的流量特性、指示功率、指示效率进行相关研究.通过研究吸入压力对该泵外特性的影响，有利于该泵在现场运行时根据介质的含气率和对流量及效率的要求调节吸入压力.

1泵工作过程的理论基础

由于往复式油气混输泵输送的介质具有可压缩性，以及该泵内具有余隙容积，其工作原理与往复式压缩机相似，分为膨胀、吸入、压缩、排出四个过程.该泵工作过程中活塞运动规律为

(1)

(2)

式中：x为活塞位移；v为活塞速度；r为曲柄半径；λ为连杆比；ω为曲柄角速度；θ为曲柄转角.

膨胀过程：在排出行程结束后，泵内剩余一部分高压介质.吸入行程开始，对于纯液相介质，泵内压力立刻降低，吸入阀开启，吸入过程开始；对于气液混合介质，泵内压力随活塞移动而缓慢下降，直到吸入阀开启，即为膨胀过程.

吸入过程：吸入阀从开启到关闭的整个过程为吸入过程.根据已有的针对可压缩介质的泵阀连续性方程[10-11]，利用质量守恒推导出吸入阀的连续性方程为

(3)

式中：P为泵内压力；Ps为吸入压力；ε为系数，当P>Ps时取-1，当P≤Ps时取1；Cd为流量系数；Ax为阀隙过流面积；ρ′为阀隙处介质密度；ρ为泵内介质密度；Af为阀板面积；h为阀板升程；A为活塞截面面积；V0为泵的余隙容积.

阀板在运动过程中受自身重力、惯性力、流体阻力、弹簧力、导杆的摩擦力，阀板运动的微分方程为

ma=FD+mg-ch-F0-f

(4)

式中：a为阀的加速度；m为阀板质量；FD为流体阻力；g为重力加速度；c为弹簧刚度；h为阀板开启高度；F0为弹簧预紧力；f为导杆的摩擦阻力.

联合求解式(3，4)便可得到阀板的运动规律，及泵内压力P.但是，在建立微分方程式(3)时假设泵内压力P均匀分布，且流量系数Cd与阀的结构、开启高度、压差等因素有关；阀的结构较为复杂，式(4)中阀板所受流体阻力难以计算，因此难以通过理论计算求得阀的较为精确的运动规律及泵内压力P.

压缩与排出过程：吸入阀关闭以后，泵内介质处于低压状态，随着活塞移动泵内介质被压缩.当排出阀所受合力为正时(排出阀开启方向)排出阀开启，开始排出介质.

2泵工作过程的动态模拟

所研究往复式油气混输泵基本参数为：缸套直径D=115 mm、冲程S=90 mm、冲次n1=240、曲柄半径r=45 mm、连杆比λ=1/8，吸入阀为平板阀，排出阀为锥形阀，阀组及缸体内总的余隙容积V0=1.9×10-4m3，活塞处于排出行程终了时往复泵流道模型如图1所示.

往复泵的瞬时流量是脉动的，当进口采用灌注泵，进出口设有稳压罐以后进出口的压力波动较小.因此，数值模拟时泵的进口边界条件设置为压力入口，出口边界条件设置为压力出口[12].该泵工作过程中流体域的更新通过Fluent中动网格技术实现，活塞面的运动规律按式(1，2)进行，通过“In-cylinder”模型控制.阀体的运动可通过两种方法实现，一种方法：将已知的阀板运动规律写入Profile文件以定义阀体的运动，第二种方法：每个时间步迭代完以后，求得阀体所受流体阻力并带入式(4)算出当前阀体的速度.前面已论述过，难以通过理论计算求得阀体的较为精确的运动规律，因此采用第二种方法，通过用户自定义函数(UDF)编写程序以定义吸入阀和排出阀的运动.

采用Standard k-ε模型，Mixture多相流模型，速度压力的耦合采用PISO算法，设置液相介质为原油，气相介质为甲烷(表1)，对吸入压力分别为Ps=0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 MPa，吸入介质在标准大气压下含气率β0=0.5，排出压力Pd=3.0 MPa，这5个工况进行数值模拟.

表1　介质参数

3泵外特性分析

3.1泵的流量特性

图2为不同吸入压力Ps时泵吸入的瞬时体积流量qs.吸入瞬时体积流量在阀开启和关闭过程中变化较快，在阀开启以后吸入瞬时流量缓慢变化且随吸入压力的增加而增加.阀开启以后，因缸体体积随时间按正玄曲线变化而吸入瞬时流量变化较小，因此吸入瞬时流量开始小于缸体体积随时间变化量，而后大于缸体体积随时间变化量.曲柄转过180度后，因此时吸入压力仍大于泵内压力、阀关闭滞后且泵内介质可压缩，因此仍有介质吸入.

图3为不同吸入压力Ps下泵的排出瞬时体积流量qd.因排出阀开启滞后、阀刚开启时刻泵内压力大于出口压力以及介质可压缩，排出瞬时体积流量开始从0突变到大于大于缸体体积变化率；随着阀的开启，泵内压力逐渐接近排出压力，排出瞬时流量与缸体体积变化率近似相等.

图2　混输泵吸入瞬时流量Fig.2　The inhaled instantaneous volumetric flow rate

图3　混输泵排出瞬时流量Fig.3　The instantaneous discharged volumetric flow rate

将瞬时体积流量对时间积分便可得到一个冲程中吸入和排出介质的体积，如图4所示.缸体的有效容积为9.34×10-4m3，吸入压力从0.2 MPa增加到0.6 MPa时，一个冲程中泵吸入介质体积Vs从6.98×10-4m3增加到9.04×10-4m3，排出介质体积Vd从4.81×10-4m3增加到8.0×10-4m3.

图4　一个冲程中吸入、排出介质的体积Fig.4　The inhaled and discharged volume in one stroke

同样，将瞬时质量流量对时间积分便可得到一个冲程中泵吸入和排出介质总的质量，见图5.在一个冲程中泵吸入介质的质量等于排出介质的质量，且随吸入压力的增加而增加.

图5　一个冲程吸入、排出介质的质量Fig.5　The inhaled and discharged masses in one stroke

3.2泵的指示功率及指示效率

指示功率Ni是指单位时间内活塞对液体所做的功.目前，文献中已有指示功率的理论计算式[5-6]，由于泵流道结构复杂、压力场分布未知，在理论计算中不能考虑水力损失，并认为指示功率即为有效功率，因此很难准确的通过理论计算求得泵的指示功率和指示效率.

通过Fluent动态模拟，在每个时间步迭代完以后自动读取保存活塞面上的压力，绘制P—V图以求得泵的指示功率.从图6中可以看出：在吸入过程中活塞面上的压力小于吸入压力Ps，排出过程中活塞面上的压力大于排出压力Pd，因此，所得到的循环指示功将大于理论计算值.

图6　P—V图Fig.6　The image of P-V

有效功率Ne指单位时间内排出介质由泵所获得的能量.对于气液混输泵，泵对介质做的功包括对液相做的功和对气相做的功两部分，泵对单位质量流体所做的功[13]为

(5)

式中：下标d为出口参数；下标s为入口参数；z为测量位置到基准面的距离；P为压力；ρ为液相密度；v为液相速度；n为气相在泵内压缩过程中的多变指数，无因次；vsg为吸入口处单位质量介质中气相体积.

因泵吸入口与排出口介质流速非定值，不能根据总的流量计算泵的有效功率.可读取每个时间步内泵进口及出口流体的压力、速度、质量流量、体积流量，分别计算出每个时间步内流入及流出泵内液相介质的能量，再对时间积分便可求得一个冲程中流入及流出泵内液相介质所具有的能量.再单独计算一个冲程中气相介质压缩所消耗的功，最后计算出有效功率.

泵的有效功率Ne与指示功率Ni之比称为指示效率ηi，指示效率是综合衡量泵的水利部分由于容积和水利损失造成的能量损失的指标.指示效率ηi表达式为

(6)

图7为不同吸入压力下往复式油气混输泵的性能曲线图.吸入压力Ps从0.2 MPa增加到0.6 MPa时泵的排出平均流量Qd从7 m3/h增加到11.5 m3/h，指示功率Ni从7.6 kW增加到11.6 kW，指示效率ηi从74.7%降低到68.3%.

图7　性能曲线Fig.7　The image of performance curve

4结论

吸入瞬时体积流量qs在阀开启和关闭过程中变化较快，开启后缓慢变化且随吸入压力的增加而增加；排出瞬时体积流量qd在排出阀开启时从零突变到大于活塞体积随时间变化量，随后降低到与活塞体积随时间变化量近似相等.缸体的有效容积为9.34×10-4m3，吸入压力从0.2 MPa增加到0.6 MPa时，一个冲程中泵吸入介质的质量等于排出介质的质量，吸入介质体积Vs从6.98×10-4m3增加到9.04×10-4m3，排出介质体积Vd从4.81×10-4m3增加到8.0×10-4m3.吸入压力从0.2 MPa增加到0.6 MPa时泵的排出平均流量Qd从7 m3/h增加到11.5 m3/h，指示功率Ni从7.6 kW增加到11.6 kW，指示效率ηi从74.7%降低到68.3%.

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(责任编辑：刘岩)

作者简介：张生昌(1956—)，男，江西新干人，教授级高工，研究方向为泵技术研究及特种泵研发，E-mail：zsc666@zjut.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51406183)

收稿日期：2014-09-10