多相流混输泵的性能及其研究现状

1、设计计算文章编号:100123482(19990520022204多相流混输泵的性能及其研究现状程立新1,陈听宽2(11华南理工大学工业装备与控制工程系,广东广州510641;21西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049摘要:根据多相流体的运动规律,分析了多相流混输泵的性能,并对多相流混输泵的设计特点进行了讨论。最后对国外多相流混输泵的开发及应用现状作了介绍。关键词:多相流混输;泵;性能;设计特点中图分类号:TE964102文献标识码:A随着陆上石油的日益减少,人们越来越重视海底石油的开发。海上原油产出物主要是油和气的混合物,同时还含有少量的水和砂,是一种多相混合物。在传

2、统的海上石油开采过程中,需要建立一套复杂的处理设施,使原油产出物在海上平台或海底就分离,然后将油、气分别输送到陆上加工基地,这种开采工艺增加了油气分离装置,不仅在技术上带来了困难,而且也非常不经济。多相流混输泵是一种专门用于输送原油产出物的设备,与分离方法相比,它不需要增加分离装置,可使原油产出物直接输送到加工基地,特别适用于原油混合物的远距离输送1,在海上石油的开发中,可节约大量的资金。伴随着对多相流动规律的研究和认识,国外已开发出用于海上原油混送的多相流混输泵,这种产品可以连续输送含气率从0(指100%液体到1(指100%气体的介质1,非常适于恶劣的海上油田开采条件,其突出的优点在于节约能

3、源和节约资金。我国在多相流混输泵产品的开发方面还处于空白,多相流混输泵主要依赖于进口,消耗着大量的外汇,因此,研究和开发多相流混输泵对我国海底石油开发有着十分重要的意义。1多相流混输泵的性能泵在输送气液混合物时,气泡的运动情况对泵的性能有很大影响。随着气泡在泵中叶轮内聚集的情况不同,可能造成泵效率和扬程大幅度下降,甚至使泵的运行不稳定或产生断流,这就使得气液多相流混输泵与普通的液体泵在性能上有很大的差别。因此,研究叶轮中气泡的运动情况对掌握泵在输送气液两相混合物时的性能变化十分必要。通常采用两种处理方法2,一种是把两相流体看成是均匀连续介质,它们同时充满整个流场。在这种情况下又可分为均匀和分离

4、流动模型。均匀流动模型把两相流体作为均匀混合物来考虑,而分离流动模型则把两相流体分别按单相流来处理,并考虑相间的作用,然后将两相的方程相加,得出两相流动的基本方程。另一种处理方法是将液相作为连续介质,而将气相作为不连续的离散介质,因而可以对每个气泡进行跟踪研究。下文从多相流体运动规律对泵的性能加以分析。1999年第28卷石油矿场机械第5期第22页O I LF IELDEQU IP M ENT1999,28(5:2225收稿日期:1999204213作者简介:程立新(19672,男,陕西韩城人,博士,现从事多相流与传热、强化传热及节能技术研究。1.1泵的扬程泵的扬程是指泵出口和泵入口之间单位质量

5、流体的能量差,可表示为3:H=p2p11d p+v22-v212g+(l2-l1,(1式中,H为泵的扬程,m;p为压力,Pa;v为混合物速度,m s;l为到任意测量基准面的距离,m;g为重力加速度,m2 s;为气液两相流的混合物密度,kg m3;下标1,2分别表示泵进口和出口。假设泵中的多相流动为气泡均匀分布于液流中且气泡与液流之间无相对滑移的均匀流动,则连续方程可表示为4:(Q l+Q g=l Q l+g Q g,(2式中,Q g为气体体积流量,m3 s;Q l为液体体积流量,m3 s;g为气体密度,kg m3;l为液体密度,kg m3下标l,g分别表示液体和气体,故混合物的平均密度为:=(

6、l Q l+g Q g (Q l+Q g,(3假设l Q lµg Q g,则式(3变为:=l Q l (Q l+Q g,(4将式(4代入式(1,则H=p2p1(Q l+Q g (l Q ld p+(v22-v21 (2g+(l2-l1=(p2-p1 1+(v22-v21 (2g+(l2-l1+1 (lQ lp2p1Q g d p=H l+H g,(5式中,H l=(p2-p1 l+(v22-v21(2g+(l2-l1,(6H g=1 (p l Q lp1p2Q g d p,(7H l可近似地视为泵对液体产生的扬程,H g可视为泵对气体产生的扬程,假定整个过程是等温过程,则H g=p1

7、 Q g (l Q lln(p2 p1,(81.2无限叶片数理论扬程采用分离流动模型,假定在叶轮的出口与入口处,气相和液相分别具有各自的速度和质量流量,则泵的理论扬程可表示为5:H th=(1-x2v ac2l v c2-(1-xv ac1l v c1+x2 v ac2g v c2-x1 v aclg v c1 g,(9式中,v c为圆周速度,m s;v ac为绝对速度的圆周分量,m s;x为质量含气率;同样,下标1,2分别表示泵进口和出口;l,g分别表示液体和气体。假设叶片数无限多,在叶轮入口和出口处,气相、液相的液流角就等于叶片安放角,则v ac=v c-v a ctan,(10式中,为安

8、放角;v a为轴面速度分量,m s。若流道的过流断面面积用A表示,则v ag=xm (g A g=xm (g A,(11式中,m为气液混合物质量流量,kg s;为空隙率;=A g A;g为气相密度,kg m3。v al=(1-xm (l A l=(1-xm l(1-A,(12式中,l为液相密度,kg m3。2多相流混输泵的设计特点与输送液体相比,泵在输送气液多相流时性能下降,这主要是由于气泡在叶轮内的滞留造成的,因为滞留气泡减少了流道断面面积,使液流的相对速度增加,从而增加了流动损失。目前对气液多相流混输泵尚没有成熟的设计方法,还不能像清水泵那样根据给定的流量、扬程、转速等参数,进行较可靠地设

9、计。对多相流混输泵的主要要求是提高其所能输送介质的气液混合比,下列方法可供研究和设计时参考。2.1采用较大的叶片出口安放角图1所示为采用不同叶片安放角的叶轮在输送气液两相流时的扬程比。可以看到,当采用较大的叶片安放角(5817°时,虽然扬程32程立新,等:多相流混输泵的性能及其研究现状在较小的气液混合比处剧烈下降,但在气液混合比进一步提高时,其扬程下降比用较小的叶片安放角(3915°、2515°要小。2.2提高泵的转速,增加叶片数如图2所示,泵的转速越高,叶片数越多,则液流中的气泡直径越小。从图3可以看到,增加叶片数确实使泵的扬程得以提高 。图1叶片出口角对扬程下

10、降的影响52.3采用半开式或开式叶轮液流通过叶片和盖板之间的间隙,从叶片压力面流向负压面而将滞留在叶轮内的气团带出。随着气液混合比的增加,开式叶轮的扬程下降小于闭式叶轮和半开式叶轮。由于间隙流由叶片压力面和负压面之间的压差决定,因而在大流量工况下,叶片表面之间的压差较大,故这时的排气效果也较显著。2.4采用多段式叶片液流通过叶片前后段之间的间隙由正压力面流向负压力面,从而防止气团在前段叶片的滞留。2.5在叶轮盖板上开设回流孔将叶轮出口的高压流体通过叶轮盖板上开设的回流孔导入叶轮内将滞留气团冲走。2.6采用带有导叶的扩压室当泵在小流量工况下运行时,由于液流相对速度减小,无法将气泡带出泵外,于是气

11、泡聚集在叶轮出口下游的扩压室而影响叶轮的正常工作。这时可以采用带导叶的扩压室,以防止叶轮内的气泡从滞留区内延伸到扩压室内,从而改善了泵在小流量区内的扬程性能。2.7减小涡室入口宽度减小涡室入口宽度可以改善泵在小流量时的扬程性能 。图2转速和叶片数对气泡直径的影响5 图3叶片数对扬程下降的影响52.8采用抽气结构在叶轮盖板和泵体上开孔往外抽气,可使输送介质的气液混合比达到50%。3国外多相流混输泵的发展状况多相流混输泵可分为两种类型:叶片式泵和容积式泵。在此以典型的叶片式泵为例,介绍其旋转动力式多相流混输泵的研究现状。法国石油公司To tal 、挪威石油公司Sta 2to il 和法国石油研究院

12、(IFP 为了联合开发可进行气液混合物长距离输送的系统,实施了一项海神(Po seidon 计划1,该计划始于198442O I L F IELD EQU IP M ENT 1999V o l.285年。IFP 承担了多相流混输泵这一关键设备的研制,开发了一种旋转动力式多相流混输泵。其特点是,采用了螺旋线叶轮及与导叶的配合,图4所示为该泵的一级叶轮结构,气液混合物沿轴向流动,该泵可输送含气量很高的原油产出物。输送混合物的干度范围为00.95,相对应的叶轮入口气液比(r gl 从0到18 1(体积比。该泵为海神计划第二代产品,19891990年期间,经工作台试车后,进行现场试验,在实际工图4多相

13、流混输泵的一级叶轮结构1作条件下该泵安全运行5000h 1。Su lzer 公司和F ram o 公司在1992年均取得了IFP 第二代水力技术的生产许可证。Su lzer 公司在将多相流混输泵推向产业化的过程中,起到了很大的作用,图5所示为Su lzer 公司制定的多相流混输泵系列化产品的泵谱,使多相流混输泵产品趋于标准化 。图5Sulzer 公司制定的多相流混输泵谱1F ram o 公司根据IFP 第二代水力技术,生产出了性能可靠的螺旋轴向多相流混输泵,经过广泛的水力和力学性能实验,该泵于1994年投入现场,进行1200h 的实际考核,现场运行良好6。该泵的特性如图6所示,带的曲线为实际操

14、作条件的性能,其余为在工厂的试车性能 。图6F ramo 多相流混输泵的性能64评语多相流混输泵作为集输油气混合物的一项新技术,有着极大的优点。首先,该产品结构紧凑、机械结构简单和具有极高的可靠性。其次,该产品具有良好的抗磨蚀性和抗腐蚀性,适用于条件苛刻的流体介质。此外,该泵的优点还在于其运行可靠,对输送介质无最小流量限制。多相流混输泵最初是针对海上油田的开发而进行的,但它同样可以应用于陆上油田,特别是提高陆上老化油井的产量。国外在多相流混输泵的研究和开发方面,取得了实质性的进展,多相流混输泵技术日趋成熟。我国在多相流混输泵方面的研究还处于空白,或者说刚刚起步。毫无疑问,开发研究多相流混输泵技术,对我国石油工业的发展具有重大的意义。参考文献:1Salis J de ,M aro lles Ch de ,Schachenm ann A .M u lti phase Pump s fo r M arginal O il F ields J .W o rld Pump s ,1994.334:38241.2陈之航.气液两相流动和传热M .北京:机械工业出版社,1983.3查森.叶片泵原理及水力设计M .北京:机