基于 AMESim 的一種雙作用往復抽油泵仿真研究

王 順，黃亞農，黎 申，于 俊

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205)

基于 AMESim 的一種雙作用往復抽油泵仿真研究

王 順，黃亞農，黎 申，于 俊

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205)

以某型雙作用往復抽油泵為研究對象，利用 AMESim 軟件對其進行建模仿真，主要分析雙作用抽油泵在工作過程中的出口流量特性與壓力特性，關鍵部件固定閥的開啟特性以及柱塞運動規律對固定閥閥球起跳位移的影響。仿真結果表明，雙作用往復抽油泵在排液時存在特殊的負流量與壓力波動現象，固定閥的開啟特性與閥罩的實際故障破壞密切相關，該仿真結果對于雙作用往復抽油泵的運動控制規律優化具有指導性意義。

雙作用往復抽油泵；AMESim；負流量；固定閥；運動控制

0 引 言

潛油式直線電機往復抽油泵采油系統主要由直線電機、無桿抽油泵、控制柜組成。通過地面控制柜控制井下直線電機動子的運動，從而帶動抽油泵的柱塞作往復運動實現汲油功能[1]。

抽油泵按照一個工作循環內排油與吸油的次數劃分，可分為單作用抽油泵與雙作用抽油泵。與單作用抽油泵相比，雙作用往復抽油泵可以實現直線電機減載和雙向做功，提高電機的承載能力和采油效率，滿足大排量和深井抽汲的需求[2 – 3]。目前對直線電機驅動雙作用往復泵的研究多為非油井應用的產品[4 – 6]，為了了解油井采用的雙作用泵工作特性，本文采用AMESim 軟件對某型號雙作用往復采油泵[3]進行動態仿真研究，仿真結果可對其運動規律的優化提供一定的參考。

1 雙作用往復抽油泵結構及工作原理簡介

圖 1 為雙作用往復抽油泵的結構示意圖。其工作原理如下：直線電機驅動柱塞上下往復運動，在柱塞的向上運動過程中，上泵腔體積減小，壓力增大，位于柱塞上的游動閥關閉，固定閥則打開，通過固定閥實現排油過程，同時下泵腔體積增大，壓力減小，由上泵腔排出的一部分油液在泵筒（與油管相通）內部回流，通過下泵腔入口進入下泵腔；在柱塞的向下運動過程中，上泵腔體積增大，壓力減小，固定閥關閉，位于柱塞上的游動閥則打開，油液通過游動閥進入上泵腔實現吸油過程，同時下泵腔體積減小，壓力增大，下泵腔內的油液通過下泵腔入口被排出到與油管相通的泵筒內。

2 雙作用往復抽油泵仿真模型

根據系統的工作原理，在 AMESim 元件庫中選取相應的模型，建立如圖 2 所示的仿真模型。

建模關鍵：雙作用往復抽油泵的運動規律由潛油式直線電機動子的輸出決定，在模型中利用帶有阻尼的大剛度彈簧模擬聯接，電機動子的輸出運動規律由分段線信號源直接產生；游動閥采用可移動閥體驅動液壓缸處理，模擬柱塞與閥體一體化的結構；模型中各個元件的工作狀態按照實際工況設置為垂直。

模型假設條件如下：1）不考慮實際泄漏情況；2）不考慮實際井液的含砂含水等情況；3）不考慮世

紀結構中的非關鍵過度尺寸；4）考慮管路阻尼的影響。

3 仿真與分析

3.1 仿真輸入參數

對于雙作用往復抽油泵的工作環境以及結構，已知的主要參數見表 1。

柱塞泵的運動規律為勻加速、勻速、勻減速過程。其沖次為 8 次/min 時的周期速度曲線如圖 3 所示，上下行程均分為勻加速、勻速、勻減速，各階段均 1 s，停止 0.75 s，周期 T = 7.5 s。

3.2 雙作用泵出口流量仿真分析

泵穩定運行時出口流量—柱塞速度曲線如圖 4所示。

通過曲線可以看出，出口流量隨著柱塞運動速度的變化而變化，并且趨勢一致。根據速度曲線物理含義，正值時表明柱塞上行，反之則為柱塞下行。圖 4表明，柱塞上行與下行過程中泵均在排油。在上行與下行過程中，勻速階段的流量分別為 29.239 6 L/min 和26.053 7 L/min，與理論計算值 28.952 9 L/min 和 25.786 2 L/min相比誤差分別為 0.99% 和 1.04%。

從圖 4 還可看出，柱塞在上行過程中，系統出口流量曲線出現了負值，根據 AMESim 模型端口變量的意義可知，此時系統的出口出現了負流量。從負流量變為正常的過程，所經歷的時間為 0.28 s。

柱塞上行過程中，泵的出口流量是通過固定閥排出的，在固定閥閥球還未開啟的過程中，上泵腔內的流體出現壓縮，管路中的部分油液回流進入下泵腔，補充由于壓縮所需的流體體積，因此在出口流量曲線上表現為負流量的現象。

與單作用泵相比，雙作用泵在結構上存在著下泵腔，在柱塞上行的過程中，下泵腔可以回油，因此造成了雙作用泵出口特有的負流量現象。

3.3 雙作用泵出口壓力仿真分析

雙作用泵的出口壓力大小主要由泵掛深度 H 以及管路中的流體阻力決定，泵出口壓力—柱塞速度曲線示意圖如圖 5 所示。仿真系統經過初始計算調整后，出口壓力大小在 17.892～17.997 MPa 之間波動。

從圖 5 可看出，在柱塞上下運動 1 個周期內，泵的出口壓力共出現了 4 個極值，分別為 17.892 MPa，17.997 MPa，17.910 MPa，17.988 MPa；壓力波動周期與柱塞運行周期一致，均為 7.5 s，但是響應時間存在延遲，延遲時間 0.45 s 左右。

由于泵的出口壓力由靜壓與管路阻力組成，而后者受出口流量的影響。從圖 4 可知，上行程排量大于下行程，因此造成了泵出口壓力 2 次上升峰值的不等；流體壓力在柱塞上行與下行換向后 0.45 s 出現轉折，從下峰值上升，這是因為出口壓力在柱塞靜止時存在釋放的過程，尚未釋放完全，隨著柱塞運動流體再次被壓縮，壓力隨之建立，造成了 2 次下峰值的不同。與單作用泵相比，雙作用泵在上下行程均可排油，因此造成了壓力波動特有的 4 個峰值現象。

根據 3.2 小節分析，泵出口流量仿真出現的負流量現象與固定閥的開啟相關，因此將進一步對固定閥的開啟特性進行研究并分析兩者之間的關系。

4 固定閥開啟特性仿真分析

固定閥的出口壓力與泵的出口壓力一致，固定閥入口壓力—閥球位移曲線如圖 6 所示。

從圖 6 可看出，固定閥在開啟瞬間，入口壓力大小從 1.0 MPa 左右激增為 18.0 MPa 左右，這是因為閥口開啟，上泵腔與油管相通，承受 1 800 m 的液柱壓力；固定閥在閉合瞬間，入口壓力大小從 18.0 MPa左右銳減至 1.0 MPa 左右，其原因為閥口關閉，上泵腔與 1 800 m 液柱隔斷，浸液深度 h 對應 100 m 的液柱同時通過游動閥的開啟進入上泵腔，因此其壓力最終保持在 1.0 MPa 左右。

結合圖 6 和從圖 7 可看出，在固定閥開啟前，其入口壓力（即上泵腔壓力）從 0.968 MPa 快速增加至17.890 MPa（即泵的出口壓力），當上泵腔壓力大于泵的出口壓力時，固定閥開啟，隨后入口壓力繼續上升但存在小幅波動。從時間軸分布上來看，當閥球位移大小處于曲線的上峰值時，壓力值大小處于曲線的下峰值，兩者剛好呈相反的趨勢，即閥球的跳動頻率與壓力的波動頻率一致，均為 9.09 Hz，跳動周期為 0.11 s。

固定閥閥球位移 1 柱塞速度曲線如圖 8 所示。從圖中可知，閥球的開啟時間比柱塞上行時的初始時間滯后了 0.28 s，與負流量出現過程的時間一致。

為了驗證上文所述的負流量特征，利用仿真結果與理論分析結果互相校核。固定閥開啟延遲的時間內，柱塞向上的運動位移為：

上泵腔內壓力從 100 m 液柱突變增至 1 800 m 液柱時，其壓力大小變化 ?p = ρg?h，根據液體體積彈性模量的意義，由此可求得固定閥開啟之前上泵腔內流體壓縮的體積：

計算結果表明 ?V1≈ ?V2，證明泵出口流量出現的負流量現象是由固定閥開啟滯后使得上泵腔內的流體壓縮所引起的。

從以上數據的分析過程可看出，雙作用往復泵的仿真結果與理論分析的數據相符，說明了該模型的合理性。

5 固定閥閥球起跳位移影響因素研究

固定閥閥球的位移在開啟瞬間存在較大的波動，而這種運動特性通常是不希望出現的。事實上，無論是有桿泵還是無桿泵，閥罩斷裂都是油田在實際應用中經常出現的一類故障。造成該故障的原因之一如下：閥罩限制的起跳高度小于閥球在開啟瞬間的起跳高度，導致閥球與閥罩撞擊。長時間頻繁撞擊導致閥罩、閥球表面受損，進而由于井液腐蝕、沖刷等環境因素造成閥罩斷裂、閥球與閥座間的密封失效，最終致使抽油泵失效[7 – 8]。

固定閥閥球在閥口開啟瞬間出現起跳位移劇烈變化這一現象，本文將對影響其起跳高度的因素進行初步探討。

在本模型中，固定閥閥球的可移動位移被限制為22 mm，即實際結構中固定閥閥罩限制的閥球起跳高度。仿真結果表明，在閥口開啟瞬間，閥球起跳位移最大，可達到 16.45 mm。這說明閥球在該運動規律下并沒有運動至最高點。

調整雙作用抽油泵的運動規律，在其行程不變、停止換向時間不變的情況下，使其最大加速度分別為0.3 m/s2，0.4 m/s2，0.5 m/s2，0.6 m/s2，0.7 m/s2，0.8 m/s2，0.9 m/s2，同時將參數固定閥閥罩高度調整為 50 mm，其他參數不變，重新運行仿真。不同啟動加速度下，對應固定閥閥球在開啟瞬間的最大起跳位移見表 2。

表2 固定閥閥球最大起跳位移Tab.2 The maximum motion displacement of fixed check-valve ball

從表 2 可看出，在泵掛深度一定，浸液深度一定的情況下，柱塞的加速度越大，閥球在開啟瞬間跳動高度也越大。

對于該模型中的固定閥，當加速度超過 0.8 m/s2時，閥球的最大起跳位移已經超過了 0.022 m。為了減輕實物樣機產品中固定閥閥球與閥罩撞擊帶來的負面影響，推薦該工況下雙作用泵在運動時的最大啟動加速度不超過 0.7 m/s2。以 0.7 m/s2的加速度啟動，相比以 0.6 m/s2啟動，可以使雙作用泵往復運行的周期減小至 6.9 s，沖次提高至 8.7 次/min，從而將最大產油量提高 10% 左右。

結合以上分析可知，確定合理的運動規律，對于提高雙作用泵的壽命以及產量具有重要的意義。

6 結 語

1）雙作用抽油泵的出口流量、壓力特性曲線，與單作用泵相比存在特有的負流量與壓力波動現象。

2）固定閥的球體開啟位移與泵的運行加速度密切相關，加速度越大，位移越大。閥球開啟過程可能會撞擊閥罩導致故障，閥罩高度應與泵的運行加速度匹配。

3）仿真表明本型號雙作用抽油泵固定閥閥罩高度有一定裕度，可以提高泵運行速度減小運行周期從而增加沖次，提高產油量 10% 左右。

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Simulation research based on AMESim for a double-acting reciprocating pump

WANG Shun, HUANG Ya-nong, LI Shen, YU Jun
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

In order to analyse the characteristic of output flow and pressure about a double-acting reciprocating pump, the opening characters for key component of fixed check valve and impact which the motion law of piston caused on valve ball's displacement, a simulation model is established in this paper with AMESim software. The simulation results not only indicate that special negative flow and pressure transformation would be appeared when the double-acting pump producting oil, fixed check-valve's characters has correlation with the failure in practice, but also have instructing meaning for the pump' motion control law optimization.

double-acting reciprocating pump；AMESim；negative flow；fixed check valve；motion control

TH137

A

1672 – 7619(2017)06 – 0105 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.021

2016 – 03 – 02；

2016 – 04 – 05

王順(1989 – )，男，碩士，研究方向為船舶總體優化及系統技術。