油气混输泵

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                 油气混输泵

摘要：多相流是指两种或两种以上不同相的流体混合在一起的流动。近几年来多相混输技术是一种高效经济的油田开发方式，而螺旋轴流式多相混输泵是用于多相混输生产的一项新技术，该技术是结合了轴流泵和压缩机两者的工作原理及特性，在结构上介于两者之间的一种新型多相混输泵。螺旋轴流式多相混输泵属于叶片式泵，由于其过流部分(叶轮、导轮等)的结构特点与常规叶片式水力机械的不同，因此该泵具有泵与压缩机的双重特点。

关键字：油气混输泵    计算模型     多相流混输

一 研究现状

   随着陆地上石油的日益减少，人们越来越重视海底石油的开发。因此油气混输泵已经成为国际上的一个热门话题。我国油气混输泵技术经历了以下的过程：

   （1）20世纪60-70年代为提出及初步试验阶段 随着大庆、胜利等油田的开发，油气混输泵技术被提到议事日程。院校以北京石油学院为主，迅速立题，很快在实验室进行试验。后期与大庆油田合作进行工业试验。油田以大庆油田、胜利油田为主，大庆油田设计院成立了攻关组，抓了几个油气混输泵试验点，并经常开展全油田技术交流；胜利油田则以采油处负责抓这项工作，到70年代中期至80年代初已达到700多台螺杆泵混输的规模。后因泵本身的技术不过关，加上油田气量逐渐减少，油气混输研究进行较慢。

    （2）20世纪80年代为继续研究阶段在这一期间进行了一定的工业性试验，如胜利油田的孤岛油田曾进口一台德国鲍曼公司的螺杆混输泵进行工业性试验，试验结果也很好。另外，一些油田也曾开发过井下油气混输泵和采用国产的技术尚未完全过关的油气混输泵进行工业性试验。

    （3）20世纪90年代，随着海洋油田的开发，油气混输泵技术重新提出并受到重视阶段原石油天然气总公司《九五》规划拨款1000多万元，对油气混输泵技术进行全面研究和开发，并从二相流动等基础性研究开始。原生产螺杆泵的天津泵业集团从国外引进全套油气混输泵技术，与德国鲍曼公司合资生产双螺杆泵，可望出产品。大庆油田向国外买了一台油气混输泵，准备自己开发。

二 研究方法

    螺旋轴流式混输泵属于叶片泵,其工作原理为：通过叶轮的旋转使输送的多相介质获得能量。它由若干级压缩单元组成,每个压缩单元包括一个叶轮和一个整流器, 当输送介质进入叶轮后, 由于叶轮的旋转, 介质被加速获得动能, 而当加速的介质通过整流器时, 速度减小, 动能被转化为压能, 介质每通过一个单元级, 便增加一部分能量。与容积式泵的根本区别在于其压力的增加不是由单元级体积的变化所引起, 而是由能量的传递和转化实现的。 目前海神式混输泵已发展到P300, P301, P302三种型号，并在陆上和水下多相混合系统中进行了现场试验。1992年，该泵的研制者将其水力设计技术转让给FRAMO和SULZER泵业有限公司，标志着以螺旋轴流式混输泵为核心的多相混输系统开始进入工业化应用阶段。

    气液两相流动属于多相流动中的一种，为此需要利用多相流动计算模型进行简化。常用的多相流动计算模型主要有：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-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划颗粒的运动状态及其轨迹。通过以上模型的使用，我们可以进行数值模拟，从而对泵性能进行预测。

三 存在的问题

     （1）目前无论是国外引进的混输泵还是国内自行开发研制的混输泵，在应用或试验研究过程中都出现不同程度的密封液泄露问题，在所输介质进口含气率较高时，问题更为严重。因此改进密封结构、提高密封部件在变载运行工况下的可靠性问题是急待解决的问题。

  （2）对水下多相输送系统，水下电力系统面临着密封、冷却、管路的辅设及整个系统的可靠性问题。特别是可能的远距离高压变频技术是水下多相流的难点之一。同时，整个机组的承压能力、抗腐蚀能力、密封性能，乃至适合水下作业的快捷、可靠、合理的橇装结构，也是研究的难点之一。

   （3）前期对混输泵的设计是结合轴流泵和压缩机的方法得出，目前并没有一套完善的独立的完全用于油气混输泵的设计理论，因此，如何完善设计理论应予以重视。

四 总结

    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，目前我国主要处在发展阶段。应将已有的叶轮机械的设计理论同两相流动理论及现有计算模型相结合，发展一种更完善的油气混输泵的设计方法。提高泵的多相输送性能，不仅要改进叶轮的设计，还应该综合考虑各过流部件的影响，并开展对其内部流动及设计方法的研究。

           能源与动力工程    流体机械及工程    张贞贞     122080704026