海上注水泵數值計算和性能優化分析

朱浩波，朱傳智，張 哲，宋 健

（中國石油渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司工業泵制造廠，天津 300280）

0 引言

注水泵作為海上平臺的重要設備，用來向海底地殼灌注高壓水，保持地層壓力，根據采多少油、注多少水的原理，一邊采油、一邊注水，如果缺少高壓注水泵，難以開展海上采油作業。由于油田區塊注水開發不斷調整，油田整個生命周期內的注水流量改變范圍及其注水壓力均比較大，直接影響著注水泵的選型。注水泵作為主要的能耗設備，耗電量約為生產用電的30%。為提升海上油氣開采速度及效率，設法縮短開發周期、減少開采所用成本，需要盡量降低投入成本及能源消耗，達到節能減排的效果。選取某海上平臺離心式注水泵開展優化設計，依托前處理軟件進行干預，對多級泵結構提供相應的數據及理論支持，不僅可以縮短研發周期，也能在一定程度上節約成本。

1 海上平臺注水主要特點

海上平臺注水流程較為簡單，配水操作依靠簡單的節流閥進行，簡化為水源井—注水泵—節流閥—注水井的模式。管網采用較為簡單的枝狀管網，所用注水管線短，從注水泵到井口管損較小。同時，注水井各井口間設定的間距較小，各井口節流閥前壓力是相等的。為滿足井口壓力的注水井相關要求，使得井口壓力偏小的注水井處于配水器處節流損傷更大。

海上平臺注水有以下特點：①注水流量波動范圍比較大且注水壓力處于恒定狀態，選取某個海上油田注水指標為對象，注水流量處于5～288 m3/h，變化范圍比較大（表1）[1]；②注水工況小部分年份出現高揚程、小流量的工況，對注水泵選項及其正常運行產生不利影響。

表1 某海上平臺注水指標

2 注水泵結構及強度計算

2.1 注水泵結構分析

注水泵通常安裝于海洋平臺或者陸地平臺上，所處位置偏僻、條件比較惡劣，泵結構設計顯得尤為重要。多級泵是指2只或超過2只葉輪的泵，能夠分段開展多級次吸水及壓水，將水揚到比較高的位置，可按實際需求揚程逐級增減水泵葉輪。多級泵由于揚程需要應配2極電機，或通過增加葉輪個數來配用4極電機，有效提高泵使用壽命和降低機組噪聲。如果泵實際需要揚程＜125 m時，可依據泵價格（多級泵一般比單級泵價格偏高）等因素綜合考慮該選用單或多級泵[2-3]。

多級離心泵常用在礦山排水、工廠供水等領域，農業灌溉中使用的較少，只適合用在高揚程、小流量山區提水解決該地區人畜飲水問題。多級離心泵主要類型為立式和臥式，這兩種離心泵泵軸均設置可以串聯2個以上的葉輪，其與常規的單級離心泵比較，能夠達到高揚程需要。與活塞泵、隔膜泵等相比，支持泵送較大的流量[4]。多級離心泵工作效率較高，可以達到高揚程、高流量工況，廣泛應用到建筑、消防、石化等領域。

多級離心泵由于自身的特殊性，與單級離心泵比較，其從設計、應用、維護等方面均有更高的要求。但由于在使用時忽視細節或考慮不周到，導致多級離心泵投入使用后頻繁出現異常、抱軸等事故，嚴重情況下引起停機。通過分析已有的多個水力模型并借鑒相對成熟的設計經驗，對多級泵進行水力設計。

按照實際的工況要求與以往經驗相結合，泵整體使用首級雙吸、次級單吸的模式，泵進口端使用流線型分水設計，確保其可以順利繞流不會構成旋渦。注水泵選用10級葉輪設置180°對稱式雙渦室，相當于多個離心泵串聯，一級一級增壓，可獲得較高的壓頭。葉輪獨立定位，確保分節流量調節不會降低泵壓力及效率。

為保證所配置的零件擁有較好的耐腐蝕性，進出水段采用鑄造件機構，能在一定程度上降低中間工序因材料腐蝕帶來的不良影響。吸入、吐出段均使用簡單結構，便于進行一系列的應力計算。轉子部分由葉輪、平衡轂等零部件組成，葉輪與軸設計為熱套裝結構，有助于增加轉子的剛性。葉輪入口面向吸入端依據順序進行排列，依托卡環嵌入至軸槽中，確保軸向定位。

注水泵導葉形狀較為復雜，其介質具有較高的流速，導葉損失在泵內占據比較大的比例。想要提高其工作效率，對導葉設計過程中應將結構布置考慮在內。背導葉不僅要將進出口擴散及速比情況考慮在內，還應關注導葉與下級葉輪兩者間的銜接，促使流動處于平滑暢通的狀態。

2.2 葉輪設計方案

現階段，海上采油平臺具有非常繁重的生產任務，為保證滿足海上采油生產要求，對于注水量的需求不斷增加。針對上述情況，注水泵由單臺運行變為多臺并聯運行設計，由于每個泵出口管路特性有顯著的區別，導致兩臺離心泵開展并聯運行時均在非穩定工況條件下，在一定程度上降低注水泵的運行效率，導致其故障頻發。

提水葉輪作為注水泵的關鍵部件，其制造情況對水泵性能及其機組穩定性產生重要的影響。為得到具有良好性能的葉型，傳統方法先根據模型換算法或速度系數法對葉片截線、流道等進行計算。依據圖紙制作相應的模型，開展反復試驗，最終獲得滿足要求的葉片形狀[5]。整個過程比較費時、費力，且需要耗費大量的成本。

Pro/E軟件作為一款從設計到生產均達到機械自動化要求的軟件，也是按照特征進行各項操作的實體造型系統[6]。Pro/E軟件還設計相應的實體模型及薄壁模型的有限元網格自動生成功能，方便進行有限元分析，不同參數化應力及范圍條件均能反饋在實體模型上，既支持設計人員定義參數化荷載及其邊界條件。根據Pro/E軟件以上特點，本文設計的葉輪三維模型均在Pro/E軟件中實現。

因本次研究的注水泵缺少泵型圖紙而只有實物，依托對葉輪實物展開測繪，按照已有的葉片各項數據，通過Pro/E軟件為葉輪流道及葉片設計相應的三維模型（圖1）。必須注意，葉輪級之間過渡流道不可過于復雜，不僅可以方便鑄造，也能降低阻力損失。兩端軸封側需要設置低壓級，降低軸封遭受的壓力。相鄰的兩級葉輪之間揚程差不可過大，從而減少級間泄漏和壓差。綜合分析可知，這種注水泵以背靠背對稱布置方法。

圖1 葉輪三維模型

2.3 強度求解

軸強度：按照第四強度理論校核相關要求，當安全系數nd＜13時，必須開展疲勞強度校核，疲勞安全系數n≥[n]，[n]=1.8～2.5[7]。經過分析與計算可知，泵危險截面的安全系數為18.2，不需要進行疲勞強度校核，因此，轉子組件能滿足強度相關要求。臨界轉速：由于泵軸軸徑相對較長，要盡可能降低撓度。在保證最大使用功率滿足要求前提下，通過較大扭矩，葉輪軸徑按照95 mm、110 mm進行設計，在確保軸長度相同基礎上展開對比分析（表2）。

表2 注水泵參數對比

借助Ansys軟件中的Modal分析模塊對注水泵軸系進行模態分析可知：如果若葉輪軸徑為95 mm，一階臨界與工作轉速比較接近，不能滿足使用要求；葉輪軸徑為110 mm時，一階臨界轉速達到4169.4 r/min；如果轉速處于2980 r/min（＜0.8×4169.4 r/min）屬于剛性軸，且達到使用要求。基于此，挑選葉輪軸徑110 mm實施參數優化。

3 模型優化研究

必須設計多級泵流場的三維造型。由于計算機實際運行情況及操作中泵損失嚴重的區域為長、短過渡流道，針對這種情況，分析并計算兩級長、短過渡流道區域，網格劃分之后，通過CFD流體動力學模擬軟件對多級泵開展三維數值求解。

3.1 短過渡流道數值結果分析

對兩級短過渡流道的壓力及其速度分析發現，吸入室與過渡流道中壓力變化比較明顯。如果葉輪與壓出室耦合面周邊總壓比較大，出現一些高壓區，靠近壓出室隔板頭部與隔舌周圍，高壓區范圍比較廣。分析發現，流體進到壓出室后，流體動能逐漸轉變為壓力能，這種情況下速度不斷減小，壓力隨之增大。不同流道流動狀況相似，變化不明顯。若二級葉輪接近隔板頭部周圍葉輪流動中流動比較紊亂，存在旋渦促使這個部位葉片工作面速度比較大。

3.2 長過渡流道數值結果

根據靜壓分布云圖發現，吸入室和過渡流道中的壓力并未出現明顯的改變。分析其流線圖發現，當流體順利進入壓出室后，流體動能因轉變為壓力能，導致速度在這個階段隨之減小，壓力有所增加。對其局部進行研究可知，一級葉輪流動情況較好，流動比較均勻；二級葉輪與隔板頭部更為接近，其葉輪流道內的流動比較紊亂存在旋渦，促使這部位葉片工作面速度比較大。

3.3 不同方案外特性預測對比

通過求解兩級長、短過渡流道可知，這兩種方案所設計揚程均能達到設計要求，與單級計算揚程比較相差較小（表3）。但這兩種方案內，長過渡流道效率高于短過渡流道約2%，顯示長過渡流道損失相對較小。依托改善短過渡流道模型發現，其有利于改善注水泵的整體性能。所設計的8個短過渡流道結構相同，而針對性地改變泵體結構能提升注水泵的性能。

表3 機組各項參數

4 結論

油田注水旨在保持油田能力及油層壓力，達到提升供液能力、降低原油遞減率的效果。文中依托對多級泵重要區域數值模擬，不斷對其進行優化及性能預測，最終選定海上注水泵葉輪部位的軸徑。與處于實際運行的產品相比，此次優化設計的產品性能高出國外同一參數泵的3%～5%，能夠達到設計要求，為海上注水泵優化設計提供一定的參考。