螺旋轴流式多相泵的研究

边城浪子

螺旋轴流式多相泵的研究

摘要：近年来随着海上油田的开发，多相混输技术取得了很大的进展，而螺旋轴流式多相泵应用于油气水多相混输具有良好的性能。前期对YQH-100型气液混输泵的研究结果表明，目前混输泵可在较高含气率下工作，基本能够达到预期的设计目标。但该泵在高含气率工况下效率仍较低，能量损失较大，所以仍需对如何提高该泵效率作进一步研究。

关键词：油气混输泵  轴流螺旋式  计算模型

一、研究现状

     随着工业和经济的发展，我国原煤产量逐年增加，原油、天然气产量也在逐年增加。尤其是改革开放以来，随着国民经济迅速发展，能源工业也得到长足发展。随着石油资源逐渐枯竭，石油在全国能源消费总量中的年平均比重逐年下降，而天然气的年平均比重逐年上升。改革开放以来，我国石油和天然气的产量快速稳步增长。保证其快速增长的机械设备和技术，尤其是石油工业用泵的技术也不断地发展和进步。在石油开发用泵中，首先是广泛使用的杆式泵，但是杆式泵成本高，易磨损。其次是有由地面液压驱动的液压采油泵和设在井下的多级潜水抽油泵，实现将压缩空气送到井下减轻压力的气体提升机。但是该法过程复杂，因此，为了更好实现油气混输，油气混输泵应运而生。国外油气混输泵已经发展到工业应用的程度，但其性能还有待于进一步提高，离形成完整的设计方法还有一定距离，而目前我国主要处在产品引进阶段，清华大学、中国石油大学等院校也做了相关的研究，并且取得了一些成果。

二、研究方法

     螺旋轴流式多相泵是泵与压缩机结合设计的产物。其工作原理是多相流体在高速旋转的叶轮中获得动能，通过导叶的扩压作用将此动能转换为压力能，同时利用导叶叶片的剪切作用破碎叶轮出口的气团，调整多相流体流动状态，为下一压缩单元的正常工作提供保证。其中，螺旋形叶轮和导叶强迫泵输介质沿轴向运动，有效地防止了多相介质在流道内的气液分离。

     在研究流动问题的时候，通常采用的方法有理论推导、数值模拟以及实验方法。并且随着计算机水平的发展，数值分析方法地位日益提高，但是数值模拟并不能完全等同于实际流动，为了更加接近实际流动，引入一系列计算模型，主要有：均匀流模型、双流体模型、颗粒群轨迹模型等。

    均匀流模型是根据两相介质流速相同的假设建立起来的，它将两相看成一种均匀的连续介质，这种介质具有统一的流动参数。物理特性参数是两相介质相应参数的平均值。这种数学模型求解简单，对于流速较高或者两相介质均匀混合的情况能得到比较满意的结果。但这种模型回避了两相介质之间的相互作用，对两相介质非均匀混合的情况误差较大。

    双流体模型是比较完善的数学模型，它把两相分别当作具有不同物性的连续介质看待，对两相分别给出质量、动量和能量守恒方程，并考虑它们之间的动量、能量和质量的交换，以反映各种物理现象的内在机理。从原则上说这种模型可以描述各种复杂的工况，但是方程数目多，需要补充许多结构关系式，导致求解困难，运算量大。此外，由于对某些规律认识还不够，难以准确地建立相应的结构关系式从而使其精度受到影响。它又可以细分为无滑移、小滑移及滑移一扩散模型等。

    颗粒群轨迹模型是将流体看成连续介质，将颗粒看作离散介质，在给定连续相流场的基础上计算颗粒的运动轨迹，对液相采用Euler型方程，颗粒相采用Langrange型方程，通过对大量颗粒轨迹进行统计分析得到颗粒群的运动状况。这种模型可较详细地刻画颗粒的运动状态及其轨迹。另外，气液两相流领域漂移模型应用也较广泛，它是以描述气泡分布和气液相相对滑移的两个结构参数为基础而建立起来的，主要描述两相之间的相对运动而不描述各相的运动。它具有均匀流模型求解简单的特点，同时又考虑到两相流的局部现象，在许多场合可得到相当满意的结果。

三、存在的问题

    前期研究的YQH-100型泵，性能已经能够到要求，效率也有了一定的提高，总体上是比较成功的，但是还存在如下一系列问题：

   （1）前期对泵的设计是结合螺旋轴流泵和压缩机的设计方法，只是尝试设计，并没有一套完善的设计理论与方法，因此寻找一种兼顾泵与压缩机性能的设计方法是必不可少的。

   （2）泵从压缩级设计参数计算到建模的完成，耗时长，工作量大，故而进行从输入设计参数到输出模型的程序化有待研究。

   （3）数值模拟并不能完全实现原油和天然气的两相流模拟，模拟结果与实际有差别，对油气混输并没有完全符合的模型。

   （4）并且未对不同工况下的叶片受力情况及强度进行分析，对气液两相流流固耦合方面也没有进行，因而此方面的研究还需重视。

四、总结

    随着计算流体力学的发展，越来越多的人开始采用流体分析软件对混输泵内气液两相流体流动情况进行分析。国内对气液混输泵的研究起步迟，还没有完全成熟完善的理论，留下的空间很大，数值计算方法具有模拟较复杂或理想工况等优点，而且可以方便的进行方案比较，缩短了设计周期，所以作为对理论分析及实验研究的补充，在气液混输泵设计中的作用也应受到重视，多相混输泵内的流场计算应该继续作进一步的研究。

参考文献

[1]李清平,螺旋轴流式多相泵原理机设计初探及其内部气液两相流动的三维数值分析[D]:[石油大学博士学位论文].石油大学:石油大学,1998 ,15-17

[2]何燕雨,吴玉林,曹树良.气液两相混输泵转轮内部流场计算模型[J].流体机械，1995

[3]凌国平.国内外油气混输泵技术的研究和发展[J].华东船舶工业学院报,2000,1(5):83-87

[4]孙洁,王世清,候桂华.油田多相混输泵应用技术探讨[J].石油规划设计,2005.3:35-37

[5]孙洁,王世清等.油气多相混输泵应用技术探讨.石油规划设计,2005.3:35-37

[6李清平,薛敦松等.螺旋轴流式多相泵的设计与实验研究[J].工程热物理学报,2005.1,26(1):84－87

[7马希金,郭俊杰,孙永平.轴流式油气混输泵内部的CFD分析及优化设计[J].化工机械,2004,3l(2):90-92

[8]马希金,郭俊杰,吴蓓.CFD法设计轴流式油气混输泵初探[J].流体机械,2004,32(7):15-18

[9]马希金,王宏亮,赵学.轴流式油气混输泵压缩级流场CFD模拟分析[J].农业机械学报,2006,37(2):41-44

                          贾维斌         122085206006