气液比对转子式油气混输泵球阀滞后角的影响

张生昌，张玉林，方志明，柯愈龙

（浙江工业大学，杭州 310014）＊

新型转子式油气混输泵在出口增设了1组球阀，能更好地适应油气混输工况。但泵阀在运动过程中存在滞后，将造成泵的容积损失率增加，容积效率下降［1］。此外，由于滞后角的存在，排出管路将会产生流量脉动而影响泵的稳定性［2－3］。在油气混输工况下，气液比是影响转子式油气混输泵出口单向阀滞后角的一个重要因素，而目前有关气液比对滞后角影响的研究较少［4］，因此开展气液比对该泵阀滞后角影响的研究，不仅对提高转子式油气混输泵容积效率和减小流量脉动具有重要意义，还可为减小转子式油气混输泵出口球阀滞后角提供参考。

1 建立气液比与滞后角关系式

为便于分析气液比对转子式油气混输泵出口球阀滞后角的影响，做4个假设。

1）不考虑液体的压缩性。

2）气体的压缩过程为绝热压缩过程。

3）转子型线近似为直线。

4）不考虑泵腔内的余隙容积。

1.1 出口球阀的开启压力

出口球阀结构如图1所示。

图1 出口球阀结构

泵阀开启压差的计算公式为［5］

式中：Δp为泵阀开启压差，MPa；G为阀球重力，G＝ρVg，N；ρ为阀球密度，kg／m3；V为阀球体积，m3；g为重力加速度，m／s2；d0为阀座孔直径，m；d1为阀座出口最大直径，m。

开启压差Δp＝p2－pc，其中pc为泵的出口压力，MPa；p2为开启压力，MPa。则开启压力为

1.2 泵腔容积［6］

转子式油气混输泵工作原理如图2所示。

图2 转子式油气混输泵工作原理

转子结构如图3所示。由图3可推得泵腔容积的表达式为

式中：β为转子外圆包角，（°）；α为转子内圆包角，（°）；R为转子外径，m；r为转子内径，m；B为转子宽度，m；Vc为泵腔容积，m3。

图3 转子结构

1.3 压缩终了时的介质体积

转子式油气混输泵是回转式容积泵，且只有出口单向阀。假设忽略液体的压缩性及泵的余隙容积，转子式油气混输泵的滞后角是指泵在输送油气混合介质时，由于气体的内压缩过程使转子转动一定角度φ后出口单向阀才开启，则角度φ称为转子式油气混输泵的滞后角。

根据转子式油气混输泵运动规律，并结合图3可得压缩终了时的介质体积表达式为

式中：φ为出口单向阀开启滞后角，（°）；V2为压缩终了时的介质体积，m3。

绝热压缩过程中气体的状态变化为

式中：p2为阀的开启压力，即气体压缩终了压力，MPa；p1为气体介质初始压力，即泵的入口压力，MPa；Vg1为压缩前气体介质体积，m3；Vg2为压缩后气体介质体积，m3；γ为气体介质的比热比。

由式（5）可得Vg2的表达式为

令气液比为τ，则压缩前气体介质体积Vg1为

油气混合介质压缩终了时的体积V2为

式中，（1－τ）Vc为液体介质体积。

将式（6）～（8）代入式（4）并化简得气液比与滞后角关系式为

2 计算实例

已知泵的基本参数为：阀座孔直径d0＝0.065 m；阀座半锥为45°；阀座出口最大直径d1＝0.075 m。阀球半径Rd＝0.045m；取阀球材质为聚甲醛，聚甲醛密度为ρ＝1420kg／m3。转子外径R＝0.14 m；转子内径r＝0.085m；转子宽度B＝0.1m；转子外圆包角β＝90°，内圆包角α＝88°。泵转速n＝500 r／min；泵流量为Q＝100 m3／h；原油密度ρl＝856 kg／m3；气体介质为天然气，其比热比γ＝1.3。进口压力p1＝0.2 MPa。

当出口压力pc分别为1.0、1.2、1.4 MPa时，将参数代入以上各式，经计算可得气液比为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0时出口球阀的滞后角，如表1所示。

表1 不同气液比时出口球阀的滞后角

由表1可得出口压力分别为1.0、1.2、1.4MPa时，气液比与满后角之间的关系曲线，如图4所示。

由表1可知：

1）气液比对该泵出口球阀的滞后角的影响较大。例如当出口压力为1MPa、气液比为0.1时，滞后角达到6.4°。因此，需要采取措施减小气液比对滞后角的影响。

2）对于给定的1台泵，虽然其转子尺寸、球阀尺寸、阀球密度是确定的，且油井中的气体主要为天然气，则可认为气体的比热比也是确定的，但在满足该泵输送要求的前提下，入口压力p1一定时，可通过调整其出口压力pc，则该泵球阀的开启压力p2改变，即改变泵的内压缩比p2／p1来改变该泵球阀的滞后角。

3）由图4可观察出，随着内压缩比的增加，直线的斜率增加。即气液比一定时，球阀开启滞后角随内压缩比的增大而增大。当内压缩比较大时，排出管路产生流量脉动较大，对泵的稳定性影响较大。因此，为了减小气液比对滞后角的影响，可以适当降低泵的内压缩比。

图4 滞后角随气液比变化曲线

3 结论

1）针对转子式油气混输泵出口球阀，推导了滞后角与气液比的关系式。由公式可知：滞后角随气液比的增加而增大。滞后角与气液比成正比例关系，比例系数由泵的转子尺寸、球阀尺寸、阀球密度、泵进出口压力及气体介质的比热比确定。

2）为了减小气液比对滞后角的影响，可以采取降低该泵内压缩比的措施。

3）研究结果为减小气液比对该泵出口球阀滞后角影响提供了参考。

［1］鲍慧梅，张生昌.计量泵自重球阀滞后对计量精度影响的分析［J］.流体机械，2007，35（11）：45－48.

［2］韩致信，安宗文，胡玉霞，等.基于泵阀滞后角的三缸泵流量动态特性［J］.石油机械，2002，30（10）：22－24.

［3］李秀莲.泵阀滞后角影响下的钻井泵空气包排出管路流量的研究［J］.常州技术师范学院学报，2000，6（2）：32－36.

［4］程立新，陈听宽.多相流混输泵的性能及其研究现状［J］.石油矿场机械，1999，28（5）：22－25.

［5］郭光伟，张志杰.往复泵自动式球阀开启压差的计算［J］.林业机械与木工设备，1998，26（7）：17－18.

［6］张生昌，张玉林，方志明.新型转子式油气混输泵出口球阀运动规律分析［J］.石油矿场机械，2012，41（10）：20－23.