工况参数对混输转子泵排出性能影响

王俊杰, 李 琴, 刘伯韬, 陈 科, 王美玲, 熊 蕾

(西南石油大学 机电工程学院, 四川 成都 610500)

引言

混输转子泵因其直接输送气液固三相介质的特性,大大降低工程造价,提高了生产效益,在各行业均有普遍应用[1]。但正因为这种特性,混输转子泵泵送情况复杂,工况多变,若遇极端工况则会严重威胁泵送机组的安全运行[2]。近年来, 国内外研究人员针对混输转子泵做了大量的研究,希望揭示混输转子泵的内部流动规律。王晓飞[3]讨论了固相颗粒对转子泵的磨损及外部特性影响;王中军等[4]发现转子泵抽送非牛顿流体时的性能优于抽送清水介质;郑水华等[5]提出了一种新的转子泵舌油槽结构方案,发现该结构对不同转速下的空化均有所抑制;GUO Q等[6-7]研究了罗茨泵在不同操作条件下对气液混合物的适应性,结果表明气液混合物的泵效远低于纯气或纯液工况,出口区的压力与介质特性是影响性能的主要因素;王中军[8]分析了不同畜禽粪污浓度、气固液成分及运行工况参数对凸轮转子泵的性能影响;ZHOU Y[9]对一种新型高压转子泵进行了数值模拟,分析了发生空化情况下的转速、转子几何结构对转子泵的性能变化规律。

此外,国内外研究人员对其他混输泵开展了研究,探究了不同工况参数对泵造成的性能影响。马希金等[10]对油气混输泵进行了数值模拟,通过改变流量、转速、含气率这3个工况参数,探讨了不同参数下的混输泵内部流场分布情况;王勇等[11]发现转速对混输泵首级动叶轮内含气率分布的影响较大;荆学敏等[12]基于Mixture多相流模型研究了含气率对往复式油气混输泵的排出性能影响;常亮等[13]通过实验分析了转速、含气率对离心泵增压特性的影响;邱勇等[14]针对不同流量、颗粒物性对离心泵的径向力特性进行了研究;曾玲[15]对螺旋离心泵进行气液固三相非定常模拟,获得了不同流量、气固两相浓度下的外特性曲线及内部流动情况;林鹏等[16]分别在清水、含沙水、清水空化及空化与泥沙磨损联合作用下,对轴流泵的内部压力脉动特性进行了分析,发现泥沙的加入会加剧压力脉动,且促进空化的发展。上述研究证明了运行中的不同工况参数对离心泵、轴流混输泵等的影响较为明显,但对于混输转子泵的性能影响并不清晰,需要进一步的讨论。

综上,针对混输转子泵工况参数变化对性能影响的研究不够深入,而工况参数变化的研究又恰恰是揭示混输转子泵内部流动机理及维持混输转子泵安全运行的关键。因此本研究基于动网格技术与Mixture多相流模型,分析了三相介质含量、机组转速、压差变化对混输转子泵造成的性能影响,得到了各工况参数的变化对混输泵的性能影响规律,从而为混输转子泵的深入研究提供参考价值。

1 模型和方法

1.1 原理及模型

混输转子泵的重要组成部分包含主、副转子、泵腔以及进出口段。在工作时,主、副转子在泵腔内同速反向运动,在进口段产生低压吸入介质,在出口段因挤压形成高压排出介质,转子每旋转半周,混输转子泵便吸入和排出介质一次,如此往复,混输转子泵实现连续工作,其模型如图1所示。

图1 混输转子数值计算模型

该混输转子泵的设计要求参数如表1所示,基本结构参数如表2所示。通过自定义UDF的形式确保主副转子同速反向运动。

表1 混输转子泵设计参数

表2 混输转子泵结构参数

1.2 网格划分

二维模型足以反映三相混输泵内部的流动情况,在整个计算过程中均采用二维模型[17]。为了计算的准确性,将进出口区域进行了适当的延长。全局网格采用非结构化网格,对泵腔边界、转子壁面等区域进行加密处理,网格划分结果,如图2所示。

图2 混输转子泵网格划分模型

通常,计算结果的精度会随着网格数量的提升而提升,但当网格数量到达一定规模时,其网格数量的增多不仅对计算精度的提升有限,反而会消耗掉大量的计算资源。因此,需要在保证计算结果准确性的同时尽可能地减少网格数量。不同网格数量N下的平均出口流量Qave及相对误差δ变化,如图3所示。当网格数达到1.1×105时,平均出口流量趋于稳定,相对误差在5%以内,满足计算需求,并且网格数量相对较少,能够很好地节省计算成本。最终选择网格数为1.1×105万的网格模型。

图3 网格无关性验证

2 仿真方法及实验验证

2.1 物性参数及入口参数假设

井场产出原油包含石油、天然气和砂粒,三者之间相互穿插、渗透,并且没有明显相间转化及分离现象发生。因此选择工作介质为石油、天然气和砂粒并做出以下假设,物性参数如表3所示:

表3 三相介质的物性参数

(1) 油为主相且不可压缩,天然气与砂粒为次相,次相直径均为0.1 mm;

(2) 入口处气液固三相分布均匀,无空化和相间分离现象出现;

(3) 各相间无相变和质量传递,物理特性为常数。

2.2 Mixture模型

本研究使用的原油介质各相具有相互渗透特性,颗粒相的体积分数较大(超过10%),并且相间曳力规则并不清晰。常用的离散相(DPM)模型、VOF模型以及Euler模型并不适用于混输转子泵的排出性能研究。本研究采用的Mixture模型是一种简化的欧拉多相流模型,该模型将各相视为相互渗透的连续体,求解混合动量方程,用相对速度描述分散相[18],对于上述情形具有高度的适应性,能够得出较为精确的数值解[19-20]。

混合物的连续性方程为:

(1)

αk—— 第k相的体积分数

ρk—— 第k相的密度

vk—— 第k相的质量平均速度

n—— 相数

▽ —— 哈密尔顿算子

混合物的动量方程可以通过对所有相的单个动量方程求和得到,可以表示为:

(2)

式中,p—— 压力

g—— 重力

vdr,k—— 第k相的漂移速度,vdr,k=vk-vm

2.3 边界条件及求解方法

根据实际工况,进口边界条件为压力进口,出口边界条件为压力出口;设定进口的湍流强度为5%,水力直径为50.64 mm;湍流模型选用RNGk-ε两方程模型,考虑相间的滑移速度,采用SIMPLE方法对压力-速度耦合方程进行求解,采用二阶迎风格式对控制方程进行离散求解以提高求解精度[21]。

2.4 方案设计

针对混输转子泵所涉及的相关工况参数,设计了复合试验表。入口压力据实测为0.6 MPa,其余参数如表4所示。在本次试验中,设含液率不作变化,通过含气率与含固率的权重变化对不同三相混输介质进行模拟。

表4 复合试验表

2.5 试验及模型验证

为了验证数值模拟方法的正确性,在某油田搭建了如图4所示的混输转子泵实验系统。在进行实验测试时,机组已连续工作2天。依照复合试验表的11～15组工况参数调节实验装置出口压力,在进行现场数据采集时,每个工况运行10 min后开始测试,每隔2 min记录一次数据,测得数据后取平均值与数值计算结果相对比。

图4 现场实验装置图

图5反映了数值结算结果与实验结果的差异,可以明显看出,数值计算结果与实验结果曲线相似,平均出口流量随着压差Δp的增大而呈下降趋势,并且该数值计算结果均高于实验结果。这可能与数值计算模型忽略了端面间隙造成的内部泄漏和实际工作过程中的机械损失有关。数值计算与实验结果最大相对误差为3.3%,均在5%以内,说明了本数值计算模型具有正确性。

图5 数值计算结果与试验结果对比图

3 数值结果与讨论

3.1 混输泵转动过程瞬态特性分析

1) 转动过程中的体积分数云图分析

混输泵转子旋转180°就能够实现出口流量脉动周期一次,选择180°周期内的各转动角度进行瞬态分析,足以反映混输泵在工作过程中的瞬态变化特征。

取3号试验组为例,分别取转子转动90°,135°,225°时的混输泵进行分析。转子转动到90°时,主副转子工作腔室封闭,形成独立空间;转子转动到135°及225°时,代表了主副转子在工作周期内的1/4,3/4节点,为混输泵工作中的关键节点,图6为不同角度下气固两相的分布云图。

图6 不同角度气固两相分布云图

如图6所示,最大气相、固相体积分数均在入口位置及主转子工作腔内出现,最小气相、固相体积分数在出口位置出现,主副转子啮合位置及副转子工作腔内出现了部分低梯度的气固体积分数云图区域。流线图表明入口位置及泵腔内部各角度流线分布均匀有序、出口位置流线旋涡明显,呈现明显对流现象。

上述气固两相的分布特征表明了混合介质在混输泵内部出现了分离现象,这与三相介质的密度及混输泵的工作特性相关。各相介质的密度差、入口位置的低压以及主副转子之间的返流都是造成介质分离的重要原因,出口位置的强烈对流现象与输送介质的流动轨迹有关,工作腔内的流体受到主转子的旋转挤压作用,向出口位置上方移动,撞击出口管道上壁面后向外排出。

2) 转动过程中的出口流量分析

图7为瞬时出口流量Q随转动角度α变化曲线,从图中可以看出,出口流量脉动具有明显的周期特征,转子转动一周,出口流量呈现了2次“M”型特征的流量波动现象。出口流量在0°,180°与360°时取得最小值,在30°～150°及210°～330°之间取得最大值。在0°～30°范围内,混输泵入口处容积增加,抽吸介质进入工作腔内,混输泵出口处容积减少,输送介质动能增加,引起出口流量短暂上升;在30°～150°范围内,泵腔内的间隙泄漏以及介质冲击出口端壁面等因素导致出口流量呈现波动变化;在150°～180°范围内,混输泵出口处的容积增加,并且出口侧的高压对混合介质进行加压,混合介质受挤压向入口处的回流增加,出现出口侧的流量呈现短暂下降现象。转子旋转到180°,混输泵完成一次周期运动。

图7 瞬时出口流量曲线

3.2 工况参数对混输泵的性能影响

1) 含气率、含固率占比的影响

井口原油中的介质成分复杂,含气率、含固率的占比频繁变化,为了研究介质成分对混输泵造成的性能影响,采用单因素分析法,对1～5组试验数据进行分析,具体试验参数如表4所示。

以第1,3,5组试验数据的计算结果为例,对气相与固相分布云图进行分析。不同含气率、含固率下的气固两相分布云图,如图8所示。

图8 不同含气率、含固率时的气固两相分布云图

由图8可以看出,随着含气率占比的增加,混输泵的气固两相体积分数云图梯度变化并不明显,最大体积分数分布区域未见明显变化;最大气相体积分数均在入口位置出现;最大固相体积分数在入口位置及主转子工作腔内出现。同时,各工况下的流线轨迹相似,线条整齐有序,未见额外的旋涡及湍流扰动现象。介质流动性良好,气固两相的分布情况与体积分数的变化之间的联系并不明显。

图9为不同含气率、含固率时的出口瞬时流量曲线,可以看出,各曲线波动幅度相似,含气率、含固率的变化对出口流量的波动幅度影响不大。随着含气率占比的增加,流量曲线向下方移动,呈现逐步减小的趋势,平均出口流量从4.68 m3/h降低至4.38 m3/h,出口流量依次降低了1.23%,2.84%,4.53%,6.30%,这与气体的可压缩性以及气相含量增加引起的回流增加相关,出口流量呈现逐步降低的状态。

图9 不同含气率、含固率下出口瞬时流量曲线

容积效率η与流量脉动系数S是油气三相混输转子泵的重要性能指标,直观反映了混输泵性能的高低[22-23]。图10给出了混输泵的容积效率曲线与流量脉动系数曲线,从图中可以看出,含气率占比从5%增长到15%时,容积效率从53.59%降低至50.22%,流量脉动系数从31.51%增长至36.34%,并且当含气率高于10%时,流量脉动系数曲线上升较为急促。反映了含气率占比的上升不仅会引起容积效率的降低,还会引出出口流量脉动增加,因此应该尽量避免高含气率工况。

图10 容积效率、脉动系数随含气率、含固率变化曲线

2) 转速的影响

混输泵转子泵常通过调节转速对流量进行调节,为了研究不同转速对混输泵造成的性能影响,采用单因素分析法,对6～10组试验数据进行分析,具体参数如表4所示。

以第6,8,10组试验数据的计算结果为例,对6,8,10组试验数据的气相与固相分布云图进行分析,不同转速下的气固两相分布云图如图11所示。

图11 不同转速下的气固两相分布云图

由图11可以看出,转速变化对混输泵的气相与固相分布规律存在较大影响。随着转速的增加,最大气相体积分数在入口位置处的占比面积减少,在主副转子工作腔内逐级增加,而最大固相体积分数在入口位置与泵腔内的分布区域逐渐扩大。这是因为转速增加,介质流速增加,在离心力作用下,固相介质向壁面聚集,气相介质向转子壁面靠近。

图12为不同转速n时的出口瞬时流量曲线,可以看出,随着转速的递增,流量曲线上移,曲线的波谷愈加明显,出口平均流量依次为4.55, 8.03, 11.43, 14.92, 18.43 m3/h,呈现出正比增加现象,即混输泵的转速变化对出口流量能起正相关作用,在主副转子转动到0°,180°以及360°时, 瞬时出口流量可能会产生较大的波动。

图12 不同转速下出口瞬时流量曲线

图13为不同转速时的混输泵容积效率与流量脉动系数变化图,可以看出,容积效率随着转速的增加而上升,流量脉动系数则逐步下降。转速在500～750 r/min范围内时,两曲线斜率较大,容积效率从52.03%增至61.2%,流量脉动系数从0.32降至0.26,转速对流量特性影响明显;转速在750～1500 r/min 范围内时,曲线斜率逐步变缓,转速对流量特性影响降低,当转速达到1500 r/min时,出口流量及容积效率达到最大值,流量脉动系数达到最小值。

图13 容积效率、脉动系数随转速变化曲线

3) 压差的影响

要实现井口三相介质的直接混输,必须保证泵送压力满足其输送需求,为了研究不同压差对混输泵造成的性能影响,采用单因素分析法,对11～15组试验数据进行分析,具体试验参数如表4所示。

以第11,13,15组试验数据的计算结果为例,对气相与固相分布云图进行分析,不同压差下的气固两相分布云图如图14所示。

图14 不同压差下的气固两相分布云图

由图14可以看出,随着压差的增加,出口位置的气相体积分数梯度减小,其他区域气相分布无明显变化;最大固相体积分数在入口位置与主转子工作腔内的区域逐渐减少,固相分布更加均匀,并且流线均匀,没有旋涡,出口位置的回流及旋涡现象相似。这说明了压差的增加能够有效地抑制固相在混输泵内的聚集现象,砂砾携带能力增强,压差的增加能够促进介质的流动均匀性。

如图15所示为不同压差Δp时的出口瞬时流量,可以看出,压差的增加不但会引起出口流量的降低,还会引起出口流量的脉动增加。随着压差的增加,流量曲线总体向下移动,同时波峰与波谷之间的差异愈加明显,最大出口流量依次减少了8.5%,15.8%,22.3%,28.4%,平均出口流量依次减少了6.7%,13%,18%,22.9%, 这说明了压差的增加会引起出口流量近似线性的逐级减少,混输泵的出口流量脉动幅值也会逐级增加,混输泵的性能受到影响。

图15 不同压差的出口瞬时流量曲线

如图16所示为不同压差下的混输泵容积效率与流量脉动系数变化图,可以看出,随压差的增加,容积效率线性减少,流量脉动系数逐级攀升。当压差达到0.9 MPa时,容积效率低于50%,流量脉动系数达到0.32,此时泵效较低,并且流量脉动明显,应避免在此工况下长时间运作。

图16 容积效率、脉动系数随压差变化曲线

3.3 多因素交互影响结果分析

1) 极差分析

采用多因素分析法,对11～15组试验数据进行分析,具体试验参数如表4所示。选取容积效率与流量脉动系数作为分析的评价指标,各组数据的评价结果如图17所示。在9组试验数据中,第22组试验的容积效率达到最低值、流量脉动系数达到最高值,此时混输泵呈现出最低的性能状态。

图17 正交试验结果表

对以上9组数据进行极差分析,结果如表5所示,各因素对容积效率,流量脉动系数影响的主次顺序均为:转速>压差>含气率、含固率占比,最劣试验组数为第22组,该组合容积效率为46.82%,流量脉动系数为0.36,性能低于其他所有方案,即含气率为5%,含固率为15%、转速为500 r/min、压差为1.4 MPa。

表5 极差结果分析表

2) 多因素交互分析

图18为任意两因素对容积效率及流量脉动的影响曲线。如图18a、图18d可以看出,在含气、固率一定的情况下,容积效率随着转速的增加而增加,随着压差的增加而减小;流量脉动系数则随着转速的增加而减少,随着压差的增加而增加。当转速达到1000 r/min时,容积效率及流量脉动系数曲线的斜率由 “陡峭”变为 “平缓”,转速到达1000 r/min后的持续升高对混输泵的性能影响减弱。

图18 任意两因素对容积效率及流量脉动的影响曲线

如图18b、图18e可以看出,在压差一定的情况下,容积效率随转速的增加而增加,流量脉动系数随转速的增加而减少。当含气率为5%时,容积效率及流量脉动系数曲线表现都较为平缓, 当含气率为15%时,两曲线表现则比较崎岖,这表明混输泵的流量输出特性对输送介质的含气率较为敏感,介质中的含气率较低时,混输泵的性能表现更好。

由图18c、图18f可以看出,在转速一定的情况下,混输泵的容积效率及流量脉动系数随压差增大而呈现出形态各异的变化,在含气率为5%时,容积效率与压差呈现正相关变化,流量脉动系数与压差呈现负相关变化,随着含气率的攀升,压差的增加可能会造成容积效率降低、流动脉动增加等现象,当含气率达到15%时,混输泵的容积效率显著下降,流量脉动系数上升明显,此时混输泵的性能严重下滑。

4 结论

采用动网格技术和Mixture多相流模型对混输转子泵流场特性及性能影响规律进行了研究,分析了不同含气率、含固率、转速、压差在单因素及多因素作用下对泵的性能影响,得到如下结论:

(1) 含气率、含固率占比变化对内部流场影响不大。随着含气率占比的增加,混输转子泵的性能略微降低,这可能与气体的可压缩性有关;

(2) 转速增加会引起混输转子泵产生额外的介质分离及堆积现象。转速从500 r/min增加到1500 r/min,导致混输转子泵的流量脉动减小,出口流量呈线性增加趋势,从而使得容积效率从52.03%增加至70.31%。即转速的变化对性能影响明显,应在满足生产的情况下提高转速;

(3) 压差的增加能够促进介质的流动均匀性,压差从0.4 MPa增长为1.4 MPa,导致流量脉动效应明显、出口流量逐渐降低,从而使得容积效率从62%降至44.49%,即高压差工况可能损失输送效率;

(4) 各工况参数对混输转子泵的性能产生的交互影响明显。在低含气、高含砂、低转速、高压差时性能下滑最为严重,容积效率低于50%,流量脉动系数达到0.36,不利于实际输送需求,应避免在此工况下长期运行。