一種新型注聚合物泵的優化設計

安 然

(中國石油大學勝利學院機械與控制工程學院，山東 東營 257000)

0 引言

注聚合物泵是聚合物驅油工藝中的一種關鍵地面設備，它的主要作用是將分散并熟化好的聚丙烯酰胺母液增壓，與后續的高壓污水混合注入地層，對其性能要求是對聚合物溶液的機械剪切小，從溶液進泵口到出泵口，最大限度保留溶液黏度。地面工藝配置中均采用一泵一井流程，注聚泵的應用數量多，有廣闊的市場前景。

1 普通注水泵的注聚缺點

普通的油田用注水泵用來注聚將會使母液大幅度降解。一是因為注水泵普遍設計沖程短，沖次高，介質流速過大；二是閥的落座速度快；三是閥結構的選擇不適合高粘液體的輸送；四是構件材料中的Ca2+、Mg2+、Fe2+給介質帶來了不同程度的化學降解。勝利油田在聚合物先導性實驗中，曾用普通三柱塞注水泵注聚，泵前后的機械降解達到30%～40%，增加了注入成本，降低了驅油效果。

2 新型注聚合物泵的優化設計目標

注聚合物泵輸送的介質是聚丙烯酰胺母液，是一種非牛頓黏彈性液體，因其對機械剪切的敏感性以及它的化學、物理性質和驅油機理，對其注入設備提出了特殊要求。注聚合物泵技術關鍵就是提高介質的黏度保黏率和高的可靠性。設計目標就是要針對聚丙烯酰胺母液的性質要求，研制一種運動部件可靠性高、低剪切、現場需求最多、應用最為廣泛的注聚合物溶液的專用設備。聚合物注入泵的主要技術考核指標是整機性能即運行的可靠性，以及聚合物溶液的保黏率，在設計過程中，第一保證注聚泵運轉平穩、性能可靠、維修方便，第二著重考慮如何減小其對介質的機械降解。

3 注聚合物泵的基本原理

注聚泵的工作原理和普通的往復式柱塞泵一樣。臥式單缸單作用往復式柱塞泵的示意簡圖。如圖1所示，它主要由機身、柱塞、吸入閥、排出閥、液缸體、曲軸、連桿、十字頭、以及皮帶輪等傳動件部件組成。當動力機通過皮帶等傳動件帶動曲軸以角速度ω按圖示方向運動時，曲軸的旋轉通過連桿、十字頭轉換成柱塞的往復直線運動，從左邊水平位置開始旋轉時，柱塞向右移動，液缸內形成一定的真空度，吸入池中的液體在液面壓力pa的作用下，推開吸入閥，進入液缸，直到活塞移到右死點為止。這個過程，稱為泵的吸入過程。曲柄繼續轉動，柱塞開始向左移動，液缸內的液體受擠壓，壓力升高，吸入閥關閉，排出閥打開，液體經排出閥和排出管排出，直到活塞移到左死點時為止。這一過程稱作泵的排出過程。曲柄連續旋轉，柱塞連續往復運動，柱塞往復運動一次，單作用泵的液缸完成一次吸入和排出過程。對三缸單作用泵來講，與連桿相連的3個十字頭推動3個柱塞按120°角先后動作，使3個閥腔中的壓力依次升高或降低，排出閥依次打開或吸入閥依次打開，排出或吸入液體，完成泵的整個工作。

4 注聚合物泵基本性能指標的確定

往復式柱塞泵的基本特性參數是指泵的流量、壓力及輸入功率等。泵的流量是指單位時間內泵通過管道所輸送的液體量，體現了泵的輸送能力，是泵結構設計運動參數選擇的主要依據。從通用性和實用性考慮，注聚泵的設計參數首先確定為：理論排量：Q=4.0 m3/h；進口壓力：P0=0.04-1.8 MPa；額定輸出壓力：Pa=16 MPa；整機效率：ηi≥85%；容積效率：ηv≥92%；保黏率：≥97%；噪聲：<82 db(A)；整機無故障運行時間：≥8 000 h。

注聚泵的理論排量和輸出壓力根據現場需要給定，則泵的有效功率Nmax：

Nmax=Q·Pa·106/1 000·3 600；Nmax=17.7(kW)

考慮到傳動效率和聚合物性質，Ni=Nmax/ηi泵的輸入功率取：Ni=22 kW。

由此，該注聚泵的基本技術參數為：理論排量：Q=4.0 m3/h ；額定輸出壓力：Pa=16 MPa；輸入功率：Ni=22 kW。

5 注聚合物泵主要結構

往復式柱塞泵的結構多種多樣，根據其結構特點的不同，可分為多種。按缸數分有單缸泵、雙缸泵、三缸泵、四缸泵、五缸泵等；按作用方式分有單作用式、雙作用式泵；按液缸的布置方式分有臥式泵、立式泵、V型泵、L型泵；按傳動方式分曲柄連桿傳動、凸輪傳動、搖桿傳動、鋼絲繩傳動等機械傳動式往復泵，有蒸汽驅動、液壓驅動往復泵等。結構的選擇應考慮現場對設備動力類型的要求、搬遷和運輸的需要、工作環境及經濟性。往復式柱塞泵缸數增加時流量趨于平穩，但缸數增加，泵的結構也就更加復雜，造價高，維修困難，奇數缸的泵流量不均度系數低于偶數缸的往復泵。雙作用和單作用式往復泵的流量不均度系數相同。傳動方式的選擇首先應考慮動力來源、環境要求和工作的可靠性。液缸的布置方式的選擇應考慮介質的特性需要。

1.曲柄；2.連桿；3.十字頭；4.柱塞；5.排出閥；6.排出空氣包；7.排出管；8.液缸體；9.吸入閥；10.吸入管

5.1 動力端結構的確定

曲柄連桿機構是國內外柱塞泵中常見的一種結構形式，有成熟的理論基礎，國內外油田注聚所用的注聚泵也多集中為該結構方式。從確保產品使用的可靠性方面考慮，優先選擇了曲柄連桿機構這種傳動形式，采用石油工程中應用廣泛的三柱塞單作用往復泵的基本結構形式。

1)傳動方式的確定：皮帶傳動雖然沒有恒定的傳動比和高的傳動效率，但運轉平穩，噪音小，結構簡單，制造、安裝精度要求低，使用維護方便，比較適合油田注聚單擺平放的使用要求。鑒于此，優先選擇皮帶傳動，皮帶采用按國家標準生產的窄V帶，其特點是傳動效率高，噪音低，適合于有沖擊，瞬間超負荷，工作速度快，環境比較惡劣的條件。

2)潤滑方式的確定：常用的潤滑方式有兩種，一種是油泵強制潤滑；一種是飛濺潤滑。前者適用于潤滑油不易流到的地方，或高比壓區，其結構復雜，成本高。后者結構簡單，易于維修，適用于小型泵。經計算，該泵采用飛濺潤滑可完全滿足使用要求。

5.2 液力端主要結構的確定

按泵的吸入閥、排出閥的布置形式劃分，柱塞泵的液力端可分為直通式、階梯L式和側罐式。階梯L式流道形式呈階梯型，吸入閥和排出閥可單獨更換，使用維修方便，結構比較緊湊，流體流動比較平穩，可以減少振動和壓力波動。側罐式液力端的流道形式也是階梯形的，吸入閥和排出閥可單獨更換，但液缸和吸入閥閥座體的結構復雜，結構尺寸大，多用于雙作用泵上。

考慮到聚合物液體的性質，優選整體直通式的液缸體結構，吸入閥和排出閥呈直通式布置，可提高泵對高黏度介質的輸送能力，通過對液缸體過流通道優化設計，達到有效降低對介質的機械降解的目的。

閥組件結構的確定：泵閥是往復泵的主要部件。泵閥結構形式的選擇及參數設計是決定注聚合物泵對聚合物母液降解的主要因素。采用上導向閥應是比較合理的，球閥的密封效果較錐閥更可靠，采用一種球閥和上導向的結合體會有更理想的效果。

6 注聚合物泵主要結構參數的確定

對注聚合物泵的設計來說主要結構參數有柱塞平均速度um、沖數n、沖程s。沖次和沖程是結構參數中影響最大的兩個參數。就往復泵而言，目前還缺乏一系列可靠的統計資料可以借鑒以及可靠的公式可以利用，注聚合物泵的設計只能參照往復泵的某些規律性的數據，加之現場試驗驗證進行選擇。

1)柱塞平均速度um的選擇原則：功率小的泵選擇較小的um，功率大的泵選擇較大的um；直接作用泵較機動泵的um低；壓力高的泵um低；當輸送不含雜質、黏度較低的介質時可選擇較大的um值，反之則應選擇較小的um值。

2)沖數n的選擇原則是：缺乏良好的灌注條件時不能選擇高的曲軸轉速；不能因為n偏高而使動力端的工作條件惡化；不能因為n偏高，使易損件的工作壽命急劇縮短，增加維修費用；但也不能因n過低而使泵的長度大量增加，使泵變的笨重。

6.1 柱塞平均速度um的確定

柱塞平均速度對泵的結構及其運轉都有很重要的影響，um值過大可減小泵的體積，但會加快各運動副的摩擦，加速磨損，吸入性能差，um值過小泵的體積增大，但會減少各運動副的摩擦和磨損，改善吸入性能。對注聚泵的設計來講，um值的計算目前沒有理論或經驗公式可供使用或參考。但勿庸置疑，輸送聚合物這種高黏度的液體um應選擇較小值。

據對現有的聚合物驅地面裝備的調查，泵類設備的剪切速率應小于60 s-1聚合物的黏度損失較小。剪切速率即運動部件在聚合物溶液中做剪切方向運行的速率。速率過大，則聚合物分子會受到不同程度的破壞[1-2]。

um應≤0.7 m/s

6.2 沖數n的確定

對注聚泵而言，設計時應盡量降低泵的沖次。降低泵的沖次，一是可以減少閥門對聚合物分子鏈的剪切次數，減少機械降解，提高保黏率；二是可以提高泵的吸入能力，取消喂入泵，以減少喂入泵對介質的降解。

經過對同1臺泵的對比試驗，得到了注聚泵的容積效率ηv隨泵轉速n的變化規律。由此可知，泵的轉速越低，注聚泵容積效率越高。但當低到一定程度后，容積效率增加的并不明顯，而且在一定排量要求下，泵速太低將導致柱塞過大，曲軸粗壯，泵體積龐大，得不償失。一般取n=150～240 r/min。

7 結語

基于對國內外在用注聚合物設備的調查研究，根據優化設計方案，通過完成流道的優化設計，提供可供參考的經驗數據，用旋轉黏度計，對注聚泵的機械剪切情況進行檢測，對注聚合物泵進行了優化。通過大量的現場試驗對計算數據進行修正，并系統地提出提高注聚合物泵的保黏率和提高注聚合物泵可靠性的措施，設計制造一種新型注聚泵，并投入現場應用。