單缸雙作用往復式油氣混輸泵的幾何理論與排出特性研究

張冰喆，宋緒丁

（長安大學工程機械學院，陜西西安710054）

單缸雙作用往復式油氣混輸泵的幾何理論與排出特性研究

張冰喆，宋緒丁

（長安大學工程機械學院，陜西西安710054）

提出了一種新型的單缸雙作用往復式油氣混輸泵，介紹了該泵的結構特點和工作原理。針對單缸雙作用往復式油氣混輸泵的運行工況，利用Fluent軟件建立混輸泵排出過程的數值模型。通過數值分析，得到了排出過程的流場壓力分布與混輸泵的瞬時排出流量。為之后樣機的制造提供了數據支持，并為進一步研究往復式的油氣混輸泵提供了參考依據。

單缸雙作用往復式油氣混輸泵；幾何理論；排出特性

自從20世紀80年代，國外開始以各大科研機構、石油公司和設備公司多方聯合的方式，投入大量的人力物力進行多相混輸技術的研究，已經陸續研發出了“海神”系列螺旋軸流式多相混輸泵、多級離心混輸泵系統、膜片式混輸泵等一系列混輸泵產品[1]。國內方面從20世紀90年代開始地面螺旋式混輸泵的研究工作[2]，也產生了不同類型的泵，關于混輸泵的研究主要是對現有的泵進行優化改造和開發新型結構的機型，以致力于提高泵的工作性能和降低制造的成本[3]。

本文提出了一種新型的單缸雙作用往復式油氣混輸泵，該泵結構簡單、摩擦磨損小，可以滿足油田生產的油氣混輸及伴生氣回收利用的要求。本文主要討論該泵的幾何理論、工作原理及結構特點，為進一步的仿真優化和樣機的制造提供了理論和數據依據。

1 單缸雙作用往復式油氣混輸泵的結構分析

1.1 工作原理和結構特點

圖1顯示了單缸雙作用往復式油氣混輸泵的基本結構和工作特點，由圖1可見，單缸雙作用往復式油氣混輸泵由活塞、缸體、氣相單向閥體及液相單向閥體等組成。液相單向閥與氣相單向閥均與缸體相通，中間由活塞隔斷，這樣便在剛體內形成了兩個工作腔，分別是進液腔和進氣腔。該泵的動力端采用的是曲軸旋轉機構，油泵工作時，活塞由曲軸結構帶動做往復運動?；钊汕S帶動向右運動時，進液腔的工作壓力減小，原油被吸入缸體內。與此同時，進氣腔工作壓力增大，氣體被壓出剛體。同理，活塞由曲軸帶動向左運動時，氣體被吸入缸體，同時原油被壓出缸體。

圖1 單缸雙作用往復式油氣混輸泵的基本結構

單缸雙作用往復式油氣混輸泵有以下獨特的優點：

（1）結構簡單，容積效率高。由于活塞和缸體內孔都是圓柱表面，容易得到高精度的配合，密封性能好，在高壓下工作仍能保持較高的容積效率和總效率。

（2）摩擦磨損小，運行壽命長。進液腔和進氣腔共用一個缸體，當活塞做往復運動時，進液的原油既是傳動介質，又起到潤滑的作用，使液壓系統具有剛性。

（3）散熱效率高。在混輸泵的運行過程中，進氣腔的氣體壓縮會產生大量的熱量，氣體被壓出缸體后，隨后進入的液相原油會對缸體產生一定的降溫作用，防止泵體部件持續受熱造成過熱變形甚至損壞。

（4）易于加工，成本低。單缸雙作用往復式油氣混輸泵的主要零件的表面形狀為圓，因此極易保證加工精度，也易于裝配和檢修，特別是不存在偏心運動的曲軸，加工成本低。

1.2 原始設計參數

由圖1中可以看出，活塞將缸體分成了2個獨立的工作腔，兩個工作腔都設有進出閥，并且兩個工作腔的工作過程互不影響，因此可以將混輸泵的工作過程分別看作是兩個單缸單作用往復泵的工作過程。

本文所研究的單缸雙作用往復式油氣混輸泵的缸套內徑D=0.1 m，沖程D=0.3 m，沖次n=30 min-1.

1.3 數值分析

（1）幾何模型建立。為了便于建模，簡化缸筒為長方形，忽略支撐裝置。由于支撐裝置只起到對設備的支持作用，對泵效沒有影響，因此在建立模型時可以忽略它。而單缸雙作用往復式油氣混輸泵泵腔是規則的圓柱體，把它簡化為長方形是合理的。根據原始設計參數，在DM模塊中建立流場的平面幾何模型并命名邊界條件。

（2）計算域網格劃分。先取工況較為復雜的進液腔進行研究。將在DM模塊中建立的平面幾何模型導入Mesh模塊中進行網格劃分。流場選用用四面體非結構化網格，再利用Ansys Workbench軟件中自帶的功能對流場進行自動網格劃分[4]。

（3）流場邊界條件劃分。進液單向閥和出液單向閥的開啟和關閉都是由于閥體受到的壓力變化引起的，所以可以用壓力邊界條件來代替?？紤]到氣體易于壓縮，導致密度產生變化，故入口邊界條件采用質量流量入口（mass-flow-inlet）邊界條件，可以給定質量流量和入口壓力。出口邊界條件采用壓力出口（pressure-outlet）邊界條件，出口壓力為3 MPa.壁面邊界條件采用標準的壁面（wall）邊界條件。

2 數值分析與結果處理

根據CFD軟件分析流程，先將流場網格文件導入到Fluent模塊中進行流場計算。采用Standard k-ε模型、Mixture多相流模型，設置液相介質為原油，氣相介質為甲烷，介質參數如表1所示。往復泵工作過程中流體域的更新通過Fluent中動網格技術實現。閥體的運動通過用戶自定義函數（UDF）編寫程序，控制運動邊界在各個時段的速度。

表1 介質參數

在沖次n=30 min-1，吸入壓力ps=0.3 MPa，排出壓力pd=3 MPa的條件下，對單缸雙作用往復式油氣混輸泵進行的運行進行仿真分析。下面對泵的排出過程進行分析。

2.1 排出過程中流場內的壓力分布

圖2所示為活塞運動到不同行程時泵缸體內流場的壓力云圖，活塞對流體做功，流體進入流道后壓力逐漸升高，直至液體出口處壓力達到最大，當壓力大于出液單向閥的開啟壓力后，閥門開啟。閥門開啟后流道內的壓力瞬間得到釋放，隨后壓力逐漸趨于平穩。矩形流場的四角壓力偏大，整體壓力呈現出對稱性。

圖2 排出過程壓力云圖

2.2 排出過程中的瞬時流量

往復泵的實際流量受很多因素的影響，閥門密封面的泄露、閥門關閉造成的回流損失等都有可能對實際流量造成影響，在不考慮流體的壓縮性和慣性時，排出泵的流量為：

Q=vf（1）

式中，v為活塞的運動速度（m/s）；f為活塞的端面面積（m2）。圖3所示曲線分別為按式（1）和CFD方法計算的瞬時排出流量。由圖3可以看出，進液腔瞬時排出流量的CFD計算結果與理論值在排出過程的前半程基本吻合，在后半程，CFD結果大于理論值。這是因為CFD計算時考慮了流體的運動慣性及壓縮性引起的。

圖3 進液腔瞬時排出流量

3 結束語

綜上分析，得出：

（1）排出過程的數值模擬需要將活塞及排液閥一起進行建模，并采用動網格方法解決由活塞運動引起的計算區域變化的問題。

（2）在單缸雙作用往復式油氣混輸泵的閥門開啟瞬間，流道內的壓力迅速增大，出口處最大壓強比活塞處的最大壓強高1.2×106MPa，矩形流場的四角壓力偏大，整壓力呈現出對稱性。

（3）在單缸雙作用往復式油氣混輸泵排出過程的下半程，流體的運動慣性和壓縮性導致進液腔瞬時排出流量的CFD計算結果的CFD結果大于理論值，理論排液量是CFD計算排液量的0.91倍。

[1]李軍峰.油氣混輸泵的研究與發展[J].遼寧化工，2011，40（9）：980-949.

[2]李松山，曹鋒，邢子文.海底油氣多相混輸泵的研究與應用[J].流體機械，2011，39（3）：40-44.

[3]楊旭，屈宗長，吳裕遠.同步回轉式混輸泵的工作原理與動力特性研究[J].西安交通大學學報，2010，44（5）：60-65.

[4]紀冰冰，陳金瓶.ANSYS ICEM CFD網格劃分技術實例講解[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

Geometric Theory and Discharging Performance of the Single Cylinder Double-action Oil-gas Multiphase Reciprocating Pump

ZHANG Bing-zhe，SONG Xu-ding
（School of Construction Machinery，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710054，China）

A new is proposed and its structural characteristics and working principle are described.Aiming at the operation condition of the single cylinder double-action oil-gas multiphase reciprocating pump.Fluent was used to establish numerical value of the process of discharge.By numerical calculation，get the pressure distribution on the flow field and the instantaneous discharge flow rate of the pump.The results can provide support for prototype manufacture，in the same time，it can provide provides a reference for the study of reciprocating gas-oil multiphase pump in the future.

single cylinder double-action oil-gas multiphase eeciprocating pump；geometric theory；discharging performance

TH321

：A

：1672-545X（2017）01-0151-03

2016-10-29

張冰喆（1992-），女，山東人，碩士研究生，研究方向：油氣混輸泵。