滾動轉子式油氣混輸泵工作特性試驗研究

張志廣 潘靈永 王峻喬 張曉青 代瓊曦

(1.華中科技大學能源與動力工程學院 2.中石化石油機械股份有限公司)

0 引 言

多相混輸在油氣田開發中的應用日趨深入，能夠帶來顯著的經濟與社會效益[1]。目前現場仍以離心泵[2]、螺旋軸流泵[3]、螺桿泵等常規多相混輸泵為主，由于它們均采用將成熟泵頭結構直接引入的方式，故適用范圍有限，無法滿足復雜多變的現場工況。尤其是對于含氣0～100%全工況混輸、大入口壓力變化范圍(6 MPa甚至更高)和頻繁出砂井況，其穩定性差，故障率高。因此，新型油氣混輸泵頭結構的探索、開發與推廣應用備受關注。

鑒于轉子式容積型泵頭結構簡單、工作穩定，寬含氣率混輸性能可靠，且適用壓力變化范圍大，國內外相繼開發出以同步回轉泵[4]、擺動轉子泵[5]和滾動轉子泵為代表的3種新型油氣混輸泵頭體，正在國內各大氣田推廣。

同步回轉泵體結構由西安交通大學屈宗長教授首先提出，其團隊在完成樣機研制的基礎上，針對該型泵頭開展了系統性研究，涵蓋整機動力特性與摩擦功耗分析、徑向間隙與端面間隙對泵頭排量影響分析、轉子端面摩擦建模及其影響因素研究等。目前，他們的科研工作主要集中于整機結構的改進和滑板部件的優化設計[6]。南洋理工大學的TAN K.M.等[7]則基于滑板摩擦受力模型，對該類泵頭結構不斷完善，同時完成了整機性能試驗，并進一步提出一種串聯滑板型同步回轉結構。然而由于運動部件過多，同步回轉混輸泵的整機摩擦磨損雖然得以減小，但無法承受高速運轉，導致其實際應用受限。

擺動轉子泵的工作原理與擺動轉子壓縮機機體完全一致，由于滑板和活塞間連接設計不同，可衍生出眾多變體結構。雖然在性能試驗、結構形式創新[8]、摩擦損失理論建模[9]、動力學特性分析[10]等方面，擺動轉子壓縮機機體已得到廣泛研究，但它在國內作為泵頭體進行開發應用僅始于2015年前后。西南石油大學的吉效科[11]和李洋等[12]針對某型單缸擺動轉子泵分別開展了動力學理論分析和工作腔流場仿真，并完成了樣機試驗驗證。然而，由于采用單缸結構，該型混輸泵主軸阻力矩波動過大，整機運轉穩定性不足，無法滿足當前大排量高負荷的現場需求。

滾動轉子泵同樣來源于與之對應的滾動轉子壓縮機。作為一種常見的制冷和熱泵用核心機，滾動轉子壓縮機在設計理論[13]、運動學與動力學建模[14]、試驗研究和仿真分析[15]等方面發展成熟，當前研究主要聚焦于機體結構改進[16]、整機性能提升方法[17]、工作腔泄漏理論模型研究[18]。21世紀初，基于滾動轉子壓縮機發展而來的泵和膨脹機[19]相繼被開發并投入使用，且均展現出良好性能。滾動轉子泵通過摒棄進、排氣閥門組件，結構更為簡單；其泵頭內部始終以油氣混輸形式對外輸送介質，不僅適用于傳統意義上的油氣混合外輸，而且可結合配套工藝直接替代壓縮機實現純天然氣增壓外輸，在單井攜液采氣、混輸增壓采氣[20]和負壓抽吸采氣[21]方面效果顯著，利于充分挖掘氣藏潛力，對于中后期氣井的穩產增產意義重大[22]。目前正在川西新場氣田、鄂爾多斯大牛地氣田等地進行大力推廣。

與其余2種新型混輸泵相比，滾動轉子泵關鍵部件之間的接觸和連接方式最為簡單，設備故障率大幅降低，整機運轉可靠性得到有力保障，不僅可以保持長期高效作業，而且排量提升(含轉速提升)的限制因素減少，因此更具發展潛力，市場前景也更為廣闊。

滾動轉子泵的基本結構雖然與滾動轉子壓縮機相同，但由于尺度、工質物性、實際工況及工作環境的改變，其動力學特性、內部流動特性和工作特性與后者完全不同。然而，目前未見與之相關的文獻發表。對其工作特性等客觀規律認識的不足，使得滿足大排量、高壓差需求的高性能泵頭研發步伐嚴重受阻，極大限制了產品發展和更新迭代速度。

通過開展滾動轉子式油氣混輸泵試驗研究，揭示泵頭真實工作特性，掌握泵頭工作機制，能夠為高性能泵頭研發提供有力技術支撐，對于服務天然氣田全生命周期高效開發意義重大。本文闡明了滾動轉子泵工作原理，并匹配泵頭增壓開采工藝，完成了高穩定性高精度內循環試驗平臺搭建；同時通過開展泵頭出口溫度、壓力、排量和電機功率等性能參數測試試驗，完成了泵頭溫升特性、排量特性、壓力脈動特性和功耗特性分析，揭示了該型泵頭典型工作特征，證明了其性能優越性。

1 滾動轉子式油氣混輸泵增壓工藝

1.1 滾動轉子式油氣混輸泵結構原理

滾動轉子式油氣混輸泵主體結構由主軸、組合偏心轉子系統、滾動活塞、缸體和閘閥構成，如圖1所示。當主軸勻速旋轉時，在偏心滾動活塞和上下往復運動閘閥的聯合作用下，它們與缸體間形成的工作腔發生周期性變化，實現工質循環輸送。

圖1 滾動轉子式油氣混輸泵結構原理示意圖Fig.1 Structural schematic of the rolling rotor oil-gas mixed-flow pump

由于泵頭不含進、排氣閥門，整機結構簡單、運行穩定，基本可實現任意氣液比油氣混輸。特別是其組合偏心轉子系統采用了全滾動軸承結構，一方面使閘閥與滾動活塞間摩擦磨損得以控制，閘閥壽命得到延長；另一方面使主軸與滾動活塞直接接觸帶來的摩擦磨損幾乎被消除，從而有效提升了整機能效。此外，滾動轉子式油氣混輸泵采用了雙缸結構，直接避免了單缸結構中主軸阻力矩波動過大的缺陷。

1.2 滾動轉子式油氣混輸泵地面工藝

滾動轉子式油氣混輸泵作為核心裝備可廣泛應用于各個領域，特別是在以單井增壓采氣和排液采氣為代表的天然氣穩產、增產方面取得了顯著成效。

基于該新型泵頭的天然氣地面工藝流程如圖2所示。具體為：井口來氣首先經前置氣液分離器完成與井下攜液的分離，然后進入滾動轉子泵在其工作腔內實現氣體增壓；經增壓后的天然氣隨后進入后置油氣分離器，將氣體從泵頭工作腔帶出的潤滑油分離出去，最后進入集輸管線，完成全部增壓外輸流程。期間，在后置油氣分離器中被分離出的潤滑油，則會在高壓排氣壓力作用下經空冷器冷卻后被再次注入泵體，實現壓差自循環。

圖2 滾動轉子式油氣混輸泵井口增壓工藝流程Fig.2 Wellhead pressurization process of the rolling rotor oil-gas mixed-flow pump

為匹配上述增壓工藝流程，采用一體化成橇設計后的滾動轉子泵增壓橇主要由底座、前置氣液分離器、主電機、滾動轉子泵、補油泵、后置油氣分離器、空冷器及其配套管路儀表閥門等組成。

2 試驗臺搭建

以PXBQ6330D型滾動轉子泵增壓橇為試驗對象，通過搭建能夠覆蓋其典型工況的試驗平臺，完成泵頭性能測試試驗，揭示滾動轉子式油氣混輸泵真實工作特性。

2.1 試驗方案

滾動轉子泵增壓橇包含了完整的動力系統、潤滑系統、泵油系統、冷卻系統、管路系統和控制系統，只需設備通電并接入氣源即可正常工作，據此搭建泵頭性能測試平臺如圖3所示。圖3中的泵頭出口背壓閥用于調整排氣壓力，減壓閥直接將經偏心泵增壓后的高壓氣減壓至泵頭進口設計壓力，儲氣罐則進一步對泵頭進氣予以緩沖穩壓。此時，增壓橇、背壓閥、減壓閥與儲氣罐構成了一個完整內循環系統，外置空壓機則會在管路泄漏造成一定氣量損失時進行適時補氣，保證了試驗平臺的運行可靠性。

圖3 PXBQ6330D型滾動轉子泵增壓橇試驗平臺方案設計Fig.3 Scheme design of the booster skid experimental platform of PXBQ6330D rolling rotor pump

2.2 設備介紹與參數說明

PXBQ6330D型滾動轉子泵增壓橇主要技術參數見表1。因進氣壓力范圍大，泵頭排量和脈動特性分析尤為重要，試驗過程中各溫度、壓力測點設置在泵頭進、出口以及后置油氣分離器出口。

表1 PXBQ6330D型滾動轉子泵增壓橇技術參數Table 1 Technical parameters of the booster skid for PXBQ6330D rolling rotor pump

泵頭性能測試過程中，溫度測量采用LED一體式溫度變送器，量程-50～150 ℃，精度0.2% FS。低頻壓力測量采用常規壓力變送器，型號為Hosswill HCP400，量程0～10 MPa，精度0.5%FS，采樣頻率600 Hz。高頻壓力測量則采用了高頻數采與動態壓力傳感器，其中高頻數采型號為HBM QuantumX-MX840B，共8通道，24位分辨率，最高采樣頻率40 kS/s。動態壓力傳感器型號為UNIK5000，量程0～10 MPa，精度±0.2%FS，頻響3.5 kHz，實際試驗所采用的采樣頻率為1 200 Hz。

3 試驗結果分析

3.1 泵頭溫升特性

滾動轉子式油氣混輸泵配置了壓差循環自潤滑系統，并利用多通道潤滑設計，基本達到了與缸內噴油相同的冷卻效果，使腔內工質增壓成為一種準等溫壓縮過程。

試驗結果表明，在不同進出口壓差和轉速工況下，空冷器只需間歇啟停，即可使泵頭排氣溫度持續維持在55 ℃以下，從而為泵頭長期穩定運轉提供有力保證。顯然，滾動轉子混輸泵的小溫升工作特性較往復式天然氣壓縮機(出口溫度普遍高于100 ℃)體現出顯著優勢。

3.2 泵頭排量特性

滾動轉子泵的工作排量QV(m3/h)可表示為：

(1)

式中：Vs表示泵頭工作腔最大可用容積，m3；n表示主軸轉速，r/min；p1表示入口絕對壓力，MPa；p0表示標準大氣壓，取0.1 MPa；ηV表示泵頭容積效率，可以是任意結構參數與工作參數的組合函數，但主要受泵頭工作參數(轉速、進氣壓力、進出口壓差等)影響。

根據PXBQ6330D型泵頭結構參數，上式可簡化為：

QV=0.65np1ηV

(2)

泵頭排量性能測試的主要目標便是揭示排量QV和容積效率ηV的統計規律，建立泵頭排量預測機制。

3.2.1 轉速影響

滾動轉子式混輸泵以變頻電機作為動力來源，在來氣壓力不變的條件下，可通過增大電機轉速直接提升整機排量。給定進氣壓力1.0 MPa，試驗獲得不同進排氣壓差下泵頭排量隨主軸轉速變化關系，如圖4所示。由圖4可知：隨主軸轉速增大，泵頭排量均不斷增長；進一步作出二者線性擬合曲線可知，各曲線幾乎均與y軸交于零點，故可認為泵頭排量QV與轉速呈正比，但增長比例與進、排氣壓力有關。

圖4 泵頭排量隨轉速變化關系(進氣壓力1.0 MPa)Fig.4 Relationship between pump head displacement and rotational speed (with intake pressure of 1.0 MPa)

同時注意到，上述泵頭排量與轉速成正比的結論從側面表明，滾動轉子泵的工作腔容積效率ηV基本不受轉速影響。

3.2.2 進氣壓力影響

保持來氣溫度不變，進氣壓力的增長意味著單位容積內工質質量流量的增長。給定主軸轉速500 r/min，試驗獲得不同進排氣壓差下泵頭排量隨進氣壓力變化關系及其線性擬合曲線，如圖5所示。由圖5可知，與主軸轉速影響規律類似，泵頭排量QV隨進氣壓力同樣呈正比例放大關系，但放大比例由壓差決定，故工作腔容積效率ηV基本與進氣壓力無關。

圖5 泵頭排量隨進氣壓力變化關系(轉速500 r/min)Fig.5 Relationship between pump head displacement and intake pressure (with rotational speed of 500 r/min)

3.2.3 進排氣壓差影響

滾動轉子泵以油氣混輸的形式工作，工作腔內的潤滑油與氣體工質(如天然氣)混合后共同參與增壓熱力過程，可同時起到潤滑、冷卻和密封作用，能夠使增壓后的氣體溫升得以控制，基本實現等溫壓縮。此外，由于泵頭不含排氣閥門，壓縮腔內實際發生的更多是一種大容積高壓氣體與小容積低壓氣體瞬時摻混增壓過程，故滾動轉子泵雖然可作為壓縮機用于氣體增壓，但采用的是泵類設計方法，體現出的更多是泵的工作特性。因此，進排氣壓差對該型泵的排量影響更為顯著，而進排氣壓比的影響則相對微弱，并無明顯規律。

給定主軸轉速500 r/min，試驗獲得不同進氣壓力下泵頭排量隨進排氣壓差的變化關系及其線性擬合曲線，如圖6所示。圖6中各曲線表明，對任意進氣壓力，泵頭排量QV均會隨進排氣壓差的增大而逐漸下降，且下降斜率保持不變，二者基本呈線性負相關關系。

圖6 泵頭排量隨進排氣壓差變化關系(轉速500 r/min)Fig.6 Relationship between pump head displacement and intake-exhaust pressure difference (with rotational speed of 500 r/min)

根據式(2)和以上試驗結果，得到不同進氣壓力下泵頭容積效率ηV隨進排氣壓差的變化關系及其線性擬合曲線，如圖7所示。由圖7可知，泵頭容積效率ηV與進氣壓力無關，僅由進排氣壓差Δp決定，且為典型的線性負相關關系。

圖7 泵頭容積效率隨進排氣壓差變化關系(轉速500 r/min)Fig.7 Relationship between pump head volumetric efficiency and intake-exhaust pressure difference (with rotational speed of 500 r/min)

3.3 泵頭功耗特性

如上所述，滾動轉子式油氣混輸泵呈現出典型泵類工作特性，泵頭消耗功率與進排氣壓差和工作轉速密切相關，而與外輸氣體排量(對應進氣壓力這一參數)無關。

試驗過程中，泵頭功耗直接以電機實際消耗電功率予以監測。給定進氣壓力1 MPa，試驗獲得不同轉速下泵頭功耗隨進排氣壓差的變化關系及其線性擬合曲線，如圖8所示。由圖8可知，對任意轉速，泵頭功耗Pe均會隨進排氣壓差的增大而逐漸上升，且上升斜率保持不變，二者基本呈線性正相關關系。

圖8 泵頭功耗隨進排氣壓差變化關系(進氣壓力1 MPa)Fig.8 Relationship between pump head power consumption and intake-exhaust pressure difference (with intake pressure of 1 MPa)

進一步分析各曲線變化規律可知，在相同壓差下，泵頭功耗并未隨轉速的增大而成比例放大。分析其原因為，主軸轉速提升后，泵頭運轉不穩定性增大，導致各相對運動部位摩擦因數變大，故摩擦功耗上升，整機功耗相對轉速增長也更快。

3.4 泵頭進、出口壓力脈動特性

3.4.1 泵頭進口壓力變化特性

增壓橇中的前置氣液分離器雖然可使滾動轉子泵的進口壓力穩定性得以保證，但由于不含進氣閥門，受泵頭工作腔周期性容積變化影響，其進口壓力將不可避免出現微弱波動。

以采樣時間1 s為例，試驗獲得不同轉速下泵頭進口壓力時域變化曲線，如圖9所示。由圖9可知，泵頭轉速越高，進口壓力波動愈密集，壓力脈動峰峰值愈小。最小轉速(300 r/min)時，滾動轉子泵進口壓力脈動峰峰值最大，但仍不足0.004 MPa，相對壓力平均值的占比在0.8%以下。

圖9 不同轉速下泵頭進口壓力時域變化曲線Fig.9 Time-domain Variation Curve of Pump Head Inlet Pressure at Different Rotational Speeds

對上述時域曲線進行濾波和快速傅里葉變換(FFT)，得到不同轉速下泵頭進口壓力頻譜分布，如圖10所示。由圖10可知：進口壓力脈動幅值均集中于基頻，即主軸轉速的2倍(雙缸結構)；隨主軸轉速的增大，基頻脈動幅值逐漸降低，各倍頻對應的幅值逐漸增加，表明壓力脈動向高階頻率的分布緩慢增多。

圖10 不同轉速下泵頭進口壓力頻譜分析Fig.10 Frequency Spectrum Analysis of Pump Head Inlet Pressure at Different Rotational Speeds

3.4.2 泵頭出口壓力變化特性

滾動轉子泵不含排氣閥門，使得工作腔周期性容積變化對泵頭出口壓力脈動的影響有限。同樣以采樣時間1 s為例，試驗測得不同轉速下泵頭出口壓力時域變化曲線，如圖11所示。

圖11 不同轉速下泵頭出口壓力時域變化曲線Fig.11 Time-domain variation curve of pump head outlet pressure at different rotational speeds

由圖11可以看出，泵頭出口壓力脈動較進口壓力脈動顯著增強，且隨轉速增大，脈動峰峰值不斷上升。此外，由圖11還可以看出轉速越高，泵頭2個缸內壓力輸出的不同步性愈明顯。如在300 r/min轉速下，出口壓力曲線呈現出典型的單周期雙峰值特征，這在一定程度上抑制了壓力脈動的程度。

經數據處理后，不同轉速下的出口壓力頻譜如圖12所示。圖12中各頻譜基頻同樣均為主軸轉速的2倍，且出口壓力脈動特性與轉速密切相關。低轉速下(如300 r/min)的壓力脈動主要集中于基頻和雙倍頻，且脈動幅值較高轉速時顯著減小，這與時域曲線分析結果完全一致。而高轉速下的壓力脈動則僅集中于基頻，且其基頻脈動幅值隨轉速增大而增大，但增長幅度會逐漸降低，如圖13所示。對于600 r/min轉速，即使不加任何措施，滾動轉子泵出口壓力的基頻脈動幅值僅占到平均值的2%左右，顯著優于當前氣田二次增壓廣泛使用的往復式天然氣壓縮機。

圖12 不同轉速下泵頭出口壓力頻譜分析Fig.12 Frequency spectrum analysis of pump head outlet pressure at different rotational speeds

圖13 主脈動幅值隨轉速變化曲線Fig.13 Variation curve of main pulsation amplitude with rotational speed

3.5 橇體外輸壓力變化特性

滾動轉子泵增壓橇作為一個整體裝備，整橇壓力外輸特性關系到外輸管網的工作穩定性，是衡量橇裝設備的重要指標。不同轉速下的橇體出口壓力測試結果如圖14所示。由圖14可知，其脈動峰峰值隨轉速變化無明顯規律，始終維持0.003 MPa左右，僅為平均壓力的0.45%。這一結果表明，泵頭排出氣體經后置油氣分離器后，壓力脈動得以緩沖，基本達到消除狀態。

圖14 不同轉速下增壓橇排氣壓力時域變化曲線Fig.14 Time-domain variation curve of the exhaust pressure of booster skid at different rotational speeds

進一步分析增壓橇出口壓力頻譜(見圖15)可知，其主頻分布無明顯規律，脈動幅值主要集中于泵頭基頻和50 Hz附近，表明橇體出口壓力脈動除受主軸轉速影響外，還與增壓橇外輸管路密切相關。但各階脈動幅值與平均出口壓力相比，基本可忽略不計。

圖15 不同轉速下增壓橇排氣壓力頻譜分析Fig.15 Frequency spectrum analysis of the exhaust pressure of booster skid at different rotational speeds

綜上，滾動轉子式油氣混輸泵自身氣流脈動微弱，合理的橇裝設計使之得到進一步削減，使得整橇外輸氣體的壓力脈動基本被完全抑制，這與往復壓縮機增壓橇相比體現出重大性能優勢。

4 結 論

作為一種新型多相混輸泵，滾動轉子泵理論分析匱乏，通過開展泵頭性能試驗充分研究泵頭特性，能夠為高性能泵頭研發提供堅實技術支撐，對于推動我國天然氣高效開發具有重大意義。本文基于滾動轉子式油氣混輸泵地面工藝，針對某型滾動轉子泵增壓橇搭建了高穩定性內循環試驗平臺，完成了泵頭溫度、壓力、排量和功耗測試，揭示了滾動轉子式油氣混輸泵典型工作特性。

(1)泵頭始終以油氣混輸形式工作，工作腔內潤滑油同時起到冷卻和密封作用，使工質增壓成為一種準等溫壓縮過程，增壓后的氣體溫升被有效控制，出口溫度維持在55 ℃左右。

(2)雖然能夠以壓縮機的形式工作，但滾動轉子式油氣混輸泵更多地體現了泵的工作屬性。其實際排量與轉速和進氣壓力均呈正比，與進排氣壓差線性負相關；泵頭工作腔容積效率則僅與進排氣壓差有關，且為線性負相關關系。

(3)泵頭功耗與進排氣壓差線性正相關，但與泵頭實際排量(或進氣壓力)無關；轉速增大后，泵頭功耗隨之增大，且增幅逐漸變大。

(4)泵頭進出口均出現一定的壓力脈動，且出口脈動效應相對更為顯著，二者基頻均為2倍轉速；出口壓力脈動峰峰值及各階脈動幅值均會隨主軸轉速的增大而上升，但遠低于往復式天然氣壓縮機。滾動轉子泵增壓橇外輸氣體的壓力脈動則基本被消除，體現出了重大設備優勢。