離心泵輸送摻稀稠油性能的實驗

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離心泵輸送摻稀稠油性能的實驗

陳曦1，劉霞2，薛潤斌2，鄧道明1，李洪福2，韓龍學2

（1中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京102249；2新疆油田油氣儲運分公司，新疆克拉瑪依834002）

摘要：原油長輸管道上的外輸泵能耗巨大，在多年的使用之后，其特性曲線會出現一定程度的偏差，有必要對泵性能曲線進行校核。根據相關規范，本文對某原油管線上的3種外輸離心泵展開了現場工業實驗，測試了它們輸送摻稀稠油（黏度為199.5mm2/s、190.2mm2/s）的性能，繪制了實際的揚程-流量曲線和效率-流量曲線。基于離心泵出廠時的性能曲線和現場實驗的油性，利用相關式換算得到離心泵輸油時的理論性能曲線。與輸水時相比，離心泵輸送摻稀稠油時最高效率點效率下降了21.8%～31.2%。比較離心泵的實際性能曲線和理論性能曲線表明：對于同樣流量點，使用多年的離心泵的效率降低了1.5%～9.8%；離心泵揚程也有1%～10%不等的損失，并且隨著流量增大，揚程下降幅度越大。現場測試得到的泵性能特性曲線為日后輸油泵的工藝計算和能耗分析提供了依據。

關鍵詞：摻稀稠油；長距離輸送；現場實驗；離心泵；性能曲線

第一作者：陳曦（1991—），男，碩士研究生，研究方向為稠油外輸管道輸送技術。E-mail chenxicn2005@foxmail.com。聯系人：鄧道明，博士，副教授。E-mail ddmmpf@cup.edu.cn。

泵的性能曲線是原油管道工藝計算的基礎，因為泵特性曲線與管路特性曲線共同確定了輸油系統工作點。輸送介質、管道尺寸和環境決定了管路特性曲線；輸油時離心泵性能曲線一般由廠家提供的輸水特性曲線換算得到。離心泵運行時間較長將導致泵性能較投產時候有所差異，即揚程和效率較投產時降低。離心泵性能降低原因是泵部件在使用過程中受到磨損和沖蝕[1]。

由于實際的長輸管路-泵系統的復雜性和現場條件限制，現場測試離心泵的工藝特性相當困難[2]。在現場一般對離心泵的振動、密封處溫度實施狀態監測，而管路-泵工藝計算時依據泵出廠時的特性曲線（即不考慮泵性能下降）。美國西南研究院經過大量的準備，測試了墨西哥灣某平臺上的離心泵輸送稠油時的流量-揚程工作點[2]。當時實驗平均溫度為46.7℃，對應的稠油動力黏度、運動黏度分別為176mPa·s、183.5cSt（1cSt=10?6m2/s）。其中一個工作點的揚程較理論值有將近7%的降低。他們沒有測試輸送稠油時的效率。現場測試能夠用于對離心泵生命周期的分析，以此決定何時需要更換離心泵。

本文所涉及的某長輸原油管道已經投產三十多年，原來按輸送稀原油設計。為了節省資金，擬用該管線的原有設備輸送摻稀稠油。獲得原有離心泵輸送高黏原油的性能曲線是研究該長輸管道輸送摻稀稠油工藝特性的前提；輸油站的現場實驗測試數據與基于出廠輸水性能曲線換算得到的理論性能曲線比較，可以找出這些離心泵的性能曲線變化規律。

1　現場實驗方法和依據

實驗用油為本管線所要輸送的摻稀稠油，是在油田產出的高黏稠油中首先摻入粗柴油，然后再混入周邊區塊生產的多種稀原油形成的混合油。

實驗方法如下：在保證轉速不變的情況下，通過調節泵出口閥門開度，實現不同的泵進出口壓差，并且在流量穩定之后，利用容積法測出不同條件下對應的泵排量。通過獲取的點繪制出泵特性曲線。

揚程以輸送液體的液柱高度表示，相當于泵傳遞給單位質量液體的能量。揚程測量方法為測量泵出口與入口之間的壓差，現場用壓力傳感器是羅斯蒙特公司生產，精度為0.5級。揚程的調節是通過對泵出口管路上的閥門節流來實現的，符合“可以通過在入口管路或出口管路中或同時在兩處進行節流來獲得試驗條件”的規定[3]。

一段時間內通過泵的平均流量用容積法測定。用容器測量流量是一種流量的直接測量法，從原理上講，這種方法只需質量（或容積）和時間的測量，被認為是所有流量測量方法中較為精確的一種。實驗中通過光導液位計測量單位時間內油罐下降的液位來算出流量，符合“在一定時間內，由一個容器收集排出液體，然后用稱重法或容積法計量液體容量，除以注水的時間來求得流量”的規定[4]。

油溫的測量采用的是溫度傳感器，其熱電阻的精度為B級，其允許偏差為±(0.30+0.005|t|)。

離心泵輸出功率及泵效率的公式[3]見式（1）、式（2）。

式中，PU為泵的輸出功率，W；ρ為摻稀稠油的密度，kg/m3；Q為泵的實際排量，m3/h；g為重力加速度，m/s2；H為泵揚程，m；ηb為泵效率；P為泵輸入功率，W。

根據以上方法，可以得到泵實測特性曲線，然后將離心泵輸送清水時的特性曲線按第2節所述步驟換算成輸送對應黏度油品時的特性曲線，完成實測特性點和理論特性曲線的對比分析。

2　出廠時離心泵輸送摻稀稠油性能曲線及與實驗點的比較

說明書上離心泵的性能曲線是在一個標準大氣壓力下，利用清水測試出來的。但是當泵輸送更高黏度的液體時，泵的性能將會下降，流量、揚程和效率都會有所降低。所以，當輸送介質黏度大于20cSt（1cst=1mm2/s）時，需要對離心泵性能曲線進行修正換算[5]。在實驗過程中，輸送的是黏度較高的摻稀稠油，其黏度遠遠大于20cSt。因而需要將離心泵輸送清水出廠時性能曲線換算成輸送對應黏度下原油時的曲線后，再與實驗測試點比較。

輸送特殊液體時離心泵性能曲線換算方法目前有幾種，依其研究的出發點不同可歸納為兩類：一是根據黏度ν 求定修正系數；另一是根據雷諾數Re求定修正系數[6]。

較為簡潔的方法是國際標準化組織標準[7]推薦的換算方法，是一種根據黏度修正系數的方法。該公式計算法的相關公式在后面介紹。它的適用條件為：介質必須是牛頓型流體；只適用于離心泵，而不適用于混流泵、軸流泵和旋渦泵；運動黏度ν 為1～4000cSt；泵的有效汽蝕余量NPSHA足夠大。

本原油長輸管線實際運行中采用的外輸離心泵有3種型號。型號為A、B和C的離心泵的額定轉速、高效點揚程、高效點流量見表1，各離心泵配備電機型號參數見表2。分別在不同的泵站對這3種類型離心泵做了性能現場測試。

表1原油長輸管線離心泵輸水時性能參數

表2長輸管線輸油泵電機性能參數

以型號為A的離心泵為例。受當時現場實際條件限制，實驗過程中共測取了3個特性點。實驗過程用摻稀稠油密度為909kg/m3，將測試的壓差（MPa）換算成揚程（m），并根據工作點和電機輸入功率及效率計算出各工況時效率見表3，實驗過程中輸送稠油混合油黏溫曲線見圖1。

實驗時進泵油溫36.0℃，由黏溫關系曲線擬合方程得出對應黏度為181.4mPa·s，轉換為運動黏度199.5cSt。這里根據規范ISO/TR 17766—2005中提供的公式，將此泵輸送清水時性能曲線換算成輸送黏度為199.5cSt油品的性能曲線。

表3離心泵A的實測性能點

圖1　離心泵A測試過程中輸送摻稀稠油的黏溫關系

首先利用離心泵輸水時的最高效率流量點（QBEP-W）計算出參量B，其計算式為式（3）。

把ν =199.5cSt、HBEP-W=520m、QBEP-W=280m3/h，N=1480r/min代入式（3）中，得到B=6.71。

當1＜B＜40時，可利用式（4）計算出流量換算系數CQ。

代入B=6.71，得到CQ=0.886。

由式（5）計算出揚程的換算系數CH。

將各參數代入式（5），可求得CH在以下6個工況點160m3/h、200m3/h、280m3/h、360m3/h、440m3/h和480m3/h的值分別為0.943、0.933、0.913、0.896、0.879和0.870。

當1＜B＜40時，效率換算系數Cη的計算公式為式（6）。

將B=6.71代入式（6），得到Cη=0.679。

式中，N為泵的轉速，r/min；ν 為運動黏度，cSt；Q為流量，m3/h；H為揚程，m；下標vis為介質是原油時的相關參數；下標W為介質是清水時的相關參數；下標BEP為最佳效率點對應的參數。

把以上得到的流量、揚程和效率的換算系數代入到式（7）中，可計算出泵輸送原油時的流量、揚程和效率，見表4和表5。與現場實驗實測性能點對比見圖2和圖3。

從表4可以看出，離心泵A輸送清水最高效率點對應的效率為68%，輸送199.5cSt摻稀稠油高效點效率為46.2%，高效點效率下降了(68%～46.2%)/68%=32.1%。同理可以算出：離心泵B和離心泵C的最高效率分別下降了21.8%和22.2%。

表4離心泵A的效率換算

表5離心泵A的流量揚程換算

圖2　離心泵A的效率曲線對比

圖3　離心泵A的特性曲線對比

3　離心泵性能測試偏差分析

由離心泵A的清水特性點換算輸出黏度為199.5cSt油品下的理論特性點，并對理論特性點作曲線擬合，算出各流量下對應實測泵效率和揚程的相對偏差。同理可得到型號為B的離心泵輸送190.2cSt油品以及型號為C的離心泵輸送190.2cSt油品的效率、揚程偏差，見式（8）、式（9）以及表6、表7。

表6長輸原油管線3種離心泵實測效率點與理論效率曲線的相對偏差

表7長輸原油管線3種離心泵實驗揚程點與理論揚程曲線的相對偏差

在輸油管道系統中，有著一定使用年限的離心泵性能特性與投產時廠家提供的性能曲線有差異。從表6中提供的效率以及偏差值可以看出，3種不同的離心泵其泵效率均有不同程度的下降；從表7中列出的揚程和偏差值可以看出，在測試流量范圍內，流量越大，測試點的揚程偏差越大。隨著離心泵的運行年限延長，其性能在逐漸降低，特性曲線也隨之變化。

4　結論

根據理論換算，與輸清水時相比，離心泵輸送摻稀稠油時效率下降了21.8%～31.2%。另外，原油管道生產運行過程中，經過多年使用后的離心泵，會出現不同程度的磨損和沖蝕，從而導致其性能相對于出廠時的性能出現不同程度的降低。本實驗表明，與輸送本摻稀稠油理論性能相比，在相同流量下，離心泵揚程有1%～10%不等的損失，并且隨著輸送流量增大，揚程下降幅度越大；離心泵的效率下降1.5%～9.8%。在使用多年的管道系統中，離心泵特性曲線與出廠時出現偏離的現象比較普遍。每經過一定的年限對泵特性曲線做一次實驗分析，既有利于對管道系統作精確的工藝計算和能耗分析，也便于在一定程度上診斷泵的工作狀況。

參考文獻

[1]Shull M M，Church M L.Field performance test：Key to pump savings[J].Hydrocarbon Processing，1991，70（1）：77-79.

[2]Garcia-Hernandez A，Bennett J A，Dorantes M L，et al.Evaluation of a pumping system to aid machine performance testing[C]//PSIG Annual Meeting，Baltimore，Maryland，USA，6-9 May，2014.

[3]中國機械工業聯合會.GB/T 3216—2005回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級[S].北京：中國標準出版社，2006.

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[6]肖天鈞.液體密度對離心泵特性影響的考證[J].現代化工，1985（6）：43-46.

[7]ISO/TR 17766—2005.Centrifugal pumps handling viscous liquids-Performance corrections[S].2005-12-09.

綜述與專論

研究開發

Experimental investigation on performance of pipeline centrifugal pumps transporting diluted heavy crudes

CHEN Xi1，LIU Xia2，XUE Runbin2，DENG Daoming1，LI Hongfu2，HAH Longxue2

（1National Engineering Laboratory for Pipeline Safety/Beijing Key Laboratory of Urban Oil &Gas Distribution Technology，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2Oil &Gas Storage and Transportation Branch，Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834002，Xinjiang，China）

Abstract：Pumps consume a lot of energy in crude oil pipeline transmission system.Pump performance deteriorates after years of use，so it is necessary to check the performance curves.Field tests were conducted in accordance with relevant standards to measure the performance of three types of centrifugal pumps in a crude oil pipeline，and the head and efficiency curves for diluted heavy crudes with viscosities of 199.5mm2/s and 190.2mm2/s were drawn.Based on the performance curves provided by pump manufacturers and measured viscosity-temperature relationships of diluted heavy crudes，theoretical characteristic curves of pump handling diluted crudes were figured out by correlation equations.Efficiencies decreased by 21.8% to 31.2% when they transported diluted heavy crudes compared to water.Comparison of the measured with theoretical performance curves was made.After years of use，①efficiencies decreased by 1.5% to 9.8% for the same flow rates；②heads of the pumps decreased by 1% to 10% and head losses increased with increasing flow rate.The performance curves from the field experiments could be used for process calculation and analysis ofbook=2974,ebook=68energy consumption for the pipeline system in the future.

Key words：diluted heavy crude；long-distance pipeline；field experiments；centrifugal pump；performance curve

收稿日期：2015-01-09；修改稿日期：2015-02-15。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.011

文章編號：1000–6613（2015）08–2973–05

文獻標志碼：A

中圖分類號：TE 832；TE 964