電動(dòng)潛油離心泵變工況下內(nèi)流特性仿真研究

趙 宇，馮子明2，周瑞芬2，蔣召平，于法浩

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452；2.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

潛油電泵具有排量范圍大、揚(yáng)程高、地面設(shè)備占用面積和空間小、使用壽命長(zhǎng)、適用于斜井、水平井和海上平臺(tái)等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外油田應(yīng)用較為廣泛。潛油電泵是多級(jí)離心泵，每級(jí)泵都由葉輪和導(dǎo)輪組成，并且導(dǎo)輪不轉(zhuǎn)動(dòng)，軸上安裝的葉輪隨著軸轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著油田采油生產(chǎn)的進(jìn)行，油井產(chǎn)液會(huì)不斷減少，而潛油電泵在產(chǎn)液量變化的情況，其揚(yáng)程和效率都會(huì)發(fā)生變化。2004年，應(yīng)光耀[1]分別在3種工況下，對(duì)扭曲和圓柱形葉片潛油電泵葉輪和導(dǎo)輪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)于扭曲葉輪，在大流量和設(shè)計(jì)工況下，基本沒(méi)有脫流、回流等二次流動(dòng)現(xiàn)象。2009年，Barrios等人[2]提出了1個(gè)與轉(zhuǎn)速和雷諾數(shù)有關(guān)的新的阻力系數(shù)，并對(duì)潛油電泵內(nèi)的兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬。但是，這個(gè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果并不一致。使用新的系數(shù)時(shí)模擬結(jié)果與試驗(yàn)的流動(dòng)情況一致，顯示了相似的氣體流動(dòng)。2011年，黃志凌等人[3]對(duì)圓柱形和扭曲形潛油電泵的葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，從中捕捉到了潛油電泵內(nèi)部許多重要的流動(dòng)特征，這給泵的設(shè)計(jì)帶來(lái)指導(dǎo)性的作用[4]，為其設(shè)計(jì)選型及改良提供了可靠依據(jù)。

1993年，日本的Sato等人對(duì)離心式閉式葉輪不同的入口、出口角對(duì)泵內(nèi)氣液兩相流的影響做了研究[5-7]。坎皮納斯州立大學(xué)的A. C. Bannwart試驗(yàn)研究了離心泵兩相流時(shí)流體黏度對(duì)離心泵性能的影響。分析結(jié)果表明：在氣體體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，液體黏度增大對(duì)離心泵的性能影響明顯，泵性能下降明顯。由于在湍流強(qiáng)度較低時(shí)，液體黏度增加，導(dǎo)致流道內(nèi)氣泡破碎程度減小，增加了氣泡聚集合并的程度，流道內(nèi)容易產(chǎn)生較大的汽泡，影響泵內(nèi)流動(dòng)[8]。2010年，塔爾薩的F. E. Treviso將高速攝像機(jī)應(yīng)用在電潛泵兩相流受液相黏度及轉(zhuǎn)速影響研究試驗(yàn)中，通過(guò)高速攝像拍攝到了流道內(nèi)氣泡的4個(gè)狀態(tài)：氣泡凝聚、氣鎖、氣相分離和間歇性氣相；指出提高轉(zhuǎn)速可以緩解由于液體黏度增大而引起的氣相堵塞流道現(xiàn)象[9-10]。2013年，王尊策等人[11]基于潛油電泵葉輪中出現(xiàn)的沖蝕磨損問(wèn)題，采用CFD方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出潛油電泵葉輪中發(fā)生沖蝕磨損的規(guī)律和機(jī)理、以及固體顆粒在流道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和沖蝕磨損發(fā)生的主要區(qū)域。

關(guān)于潛油離心泵的仿真研究成果比較少，而且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)基于潛油離心泵的變工況CFD研究。考慮到油井全周期生命過(guò)程中，以及注水井對(duì)潛油離心泵的變工況適應(yīng)能力的要求，本文采用CFD技術(shù)對(duì)潛油離心泵的變工況性能進(jìn)行了數(shù)值分析，為潛油電泵的內(nèi)特性和外特性提供了一種科學(xué)的研究方法。

1 幾何模型及數(shù)值模擬方法

選擇Q10型潛油電泵為研究對(duì)象，額定轉(zhuǎn)速為2 900 r/min。潛油電泵單級(jí)幾何模型主要包括葉輪、導(dǎo)葉以及泵軸。圖1和圖2分別為潛油電泵的葉輪和導(dǎo)葉幾何模型，葉輪和導(dǎo)葉的主要參數(shù)如表1所示。

表1 葉輪和導(dǎo)葉基本幾何參數(shù)

圖1 葉輪幾何模型

圖2 導(dǎo)葉幾何模型

用IGG進(jìn)行幾何前處理，應(yīng)用AutoGrid5進(jìn)行單流道結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，圖3是單流道網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為434 682，葉輪流道網(wǎng)格在下，導(dǎo)葉流道網(wǎng)格在上。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量的檢查，無(wú)負(fù)網(wǎng)格，正交性范圍為39.6～89.9°，長(zhǎng)寬比范圍為1～551，延展比范圍為1～3.79，滿(mǎn)足Numeca軟件對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的要求。

圖3 單流道網(wǎng)格

潛油電泵額定轉(zhuǎn)速為ne=2 900 r/min，設(shè)計(jì)工況Qe=120 m3/d。流體介質(zhì)是水，密度為1 000 kg/m3，初始?jí)毫κ?01 300 Pa，初始溫度是293 K，湍流模型選擇S-A方程模型。進(jìn)口邊界條件設(shè)為速度，進(jìn)口速度值可以根據(jù)流量計(jì)算；出口條件選擇壓力出口，壓力值可以根據(jù)揚(yáng)程計(jì)算；壁面邊界條件都設(shè)為絕熱無(wú)滑移壁面邊界條件，葉輪上下蓋板和葉片壁面設(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)壁面，給定轉(zhuǎn)速，導(dǎo)葉壁面設(shè)為靜止壁面。經(jīng)過(guò)FINE/Turbo軟件的計(jì)算，得到泵的外特性，以及應(yīng)用CFView軟件進(jìn)行后處理操作，得到內(nèi)流場(chǎng)的靜壓、總壓、速度等的分布情況，并由后處理結(jié)果對(duì)內(nèi)流場(chǎng)中的流體流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。

2 潛油電泵的外特性

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，繪制出泵外特性曲線，主要包括效率-流量曲線、揚(yáng)程-流量曲線和功率-流量曲線，如圖4。

圖4 潛油電泵外特性曲線

由圖4可知：效率是隨流量的增加先升高，達(dá)到最大值后開(kāi)始降低，也就是設(shè)計(jì)工況附近效率較高，非設(shè)計(jì)工況下效率較低，這是由于不同工況時(shí)泵內(nèi)的能量損失不同。揚(yáng)程是隨著流量的增加而逐漸減小，并且在過(guò)流量工況時(shí)揚(yáng)程損失越來(lái)越大，這是由于大流量時(shí)葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)的流體流動(dòng)能量損失增大，導(dǎo)致?lián)P程損失越來(lái)越大。功率是隨著流量的增加而逐漸增大，說(shuō)明隨著流量增加，泵軸需要輸出的功率也越大，而能量損失也越來(lái)越嚴(yán)重。

3 變流量工況下潛油電泵水力性能數(shù)值分析

本節(jié)將進(jìn)行5組非設(shè)計(jì)流量工況下的潛油電泵內(nèi)流場(chǎng)的水力性能數(shù)值分析，包括0.67Qe、0.83Qe、1.17Qe、1.33Qe和1.5Qe，并選擇小流量工況為0.67Qe、設(shè)計(jì)工況為Qe和大流量工況為1.33Qe下的流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 變流量工況下壓力場(chǎng)對(duì)比分析

1) 葉輪壁面靜壓場(chǎng)對(duì)比分析。

圖5和圖6分別是在0.67Qe、Qe和1.33Qe3種流量工況下葉輪上、下蓋板表面的靜壓分布，從圖中可以看出，在3種工況下蓋板表面的靜壓分布在大部分區(qū)域較為相似，但靜壓值是隨著流量的增加而減小的，這與泵的揚(yáng)程變化規(guī)律一致。在小流量工況下，葉輪內(nèi)的靜壓分布較好；在大流量工況下，蓋板進(jìn)口和出口處的靜壓分布較為復(fù)雜，靜壓梯度不均勻，特別是在上蓋板進(jìn)口處出現(xiàn)了封閉的靜壓等值線，因而在葉輪進(jìn)口處發(fā)生了三維流動(dòng)，可能會(huì)產(chǎn)生較大的能量損失。

圖5 葉輪上蓋板表面的靜壓分布

圖6 葉輪下蓋板表面的靜壓分布

2) 葉輪葉片工作面和背面的靜壓分析。

圖7和圖8分別是在0.67Qe、Qe和1.33Qe3種工況下葉輪葉片工作面和背面的靜壓分布，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，葉片表面靜壓值隨著流量的增加而增加。但是，葉輪進(jìn)口區(qū)域的靜壓分布越來(lái)越復(fù)雜，復(fù)雜區(qū)域明顯增大，特別是在葉片背面前緣附近的區(qū)域。在1.33Qe工況下，葉片表面的靜壓等值線出現(xiàn)較大的彎曲，并且在葉片背面前緣處產(chǎn)生了橫向的壓力分布，因而會(huì)導(dǎo)致二次流的發(fā)生。同時(shí)，在葉片尾部的等值線更為密集，壓力梯度較大，因而在1.33Qe工況下，葉輪內(nèi)產(chǎn)生的能量損失較大。

圖7 葉輪葉片工作面靜壓分布

3) 葉輪出口截面總壓分布對(duì)比分析。

圖9分別為0.67Qe、Qe和1.33Qe3種工況下葉輪出口截面的流體總壓分布，從圖中可以看到，3種工況下的流體總壓是隨著流量的增加而逐漸降低。在3種工況下均存在尾跡區(qū)，并且流體總壓分布中均出現(xiàn)了封閉的總壓等值線，說(shuō)明葉輪出口處都出現(xiàn)了三維流動(dòng)。但是，在0.67Qe工況下尾跡區(qū)附近的總壓分布明顯更為復(fù)雜，而在1.33Qe工況下葉片背面?zhèn)鹊牧黧w總壓分布中出現(xiàn)了更多的封閉總壓等值線，因而在這兩種工況下的能量損失較大。所以，在Qe工況下葉輪出口截面的流體總壓分布更好。

圖8 葉輪葉片背面靜壓分布

圖9 葉輪出口截面的流體總壓分布

3.2 變流量工況下速度場(chǎng)對(duì)比分析

1) 葉輪壁面速度場(chǎng)對(duì)比分析。

圖10和圖11是在0.67Qe、Qe和1.33Qe3種工況下葉輪上下蓋板表面的相對(duì)速度分布。從圖中可以看到，隨著流量增加葉輪尾部的低速區(qū)明顯減小。在3種工況下，葉輪蓋板上均出現(xiàn)了封閉的等值線，說(shuō)明流道內(nèi)出現(xiàn)漩渦。在0.67Qe工況下，葉輪下蓋板上的漩渦幾乎占據(jù)了整個(gè)流道，這不僅會(huì)產(chǎn)生較大的能量損失，同時(shí)嚴(yán)重阻礙了流體的流動(dòng)。在1.33Qe工況下，葉輪蓋板上也出現(xiàn)了漩渦，因而在葉輪內(nèi)也產(chǎn)生了較大的損失，并且在下蓋板上旋渦附近出現(xiàn)了速度極小的低速區(qū)，同樣阻礙了流體的流動(dòng)。所以，在120 m3/d工況葉輪蓋板表面的相對(duì)速度分布更好。

圖10 葉輪上蓋板表面的相對(duì)速度分布

圖11 葉輪下蓋板表面的相對(duì)速度分布

圖12和圖13是在0.67Qe、Qe和1.33Qe3種工況下葉輪葉片工作面和背面的相對(duì)速度分布。從葉片工作面的相對(duì)速度分布對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，1.33Qe工況下葉片工作面的相對(duì)速度分布要比另兩種工況復(fù)雜得多，產(chǎn)生較多的封閉等值線和低速區(qū)，速度梯度較大，因而會(huì)產(chǎn)生較大的能量損失。從3種工況下葉片背面的相對(duì)速度分布對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在0.67Qe工況下，葉片背面的相對(duì)速度分布更為復(fù)雜混亂。在1.33Qe工況下，葉片背面的速度等值線較為密集，速度梯度也較大。所以，在Qe工況下葉片表面的相對(duì)速度分布更好。

圖12 葉輪葉片工作面相對(duì)速度分布

圖13 葉輪葉片背面相對(duì)速度分布

4 結(jié)論

1) 以Q10型潛油電泵為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)變流量工況下潛油電泵水力性能數(shù)值分析，得到了多個(gè)工況的三維流場(chǎng)的分析結(jié)果，包括靜壓力場(chǎng)、總壓分布、速度場(chǎng)等，從中捕捉到許多流場(chǎng)內(nèi)的重要流動(dòng)特征，得到了潛油電泵的外特性曲線。

2) 從變流量工況下潛油電泵內(nèi)流場(chǎng)的對(duì)比分析表明：在小流量工況下葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)了較大的漩渦，占據(jù)了大部分流道；在大流量工況下葉輪流道內(nèi)也存在漩渦，并且在漩渦附近存在較大面積的低速區(qū)，二者也占據(jù)了大部分流道，同時(shí)流道內(nèi)的速度等值線較為密集；在設(shè)計(jì)工況下葉輪的流場(chǎng)都好于非設(shè)計(jì)工況下的流場(chǎng)。在非設(shè)計(jì)工況下，由于葉輪內(nèi)流場(chǎng)的局部惡化，導(dǎo)致在非設(shè)計(jì)工況下泵的效率要低于設(shè)計(jì)工況下的效率。