宽幅电潜泵结构设计与内部流场特性分析.pdf
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1、2023年第5期11小原楼木宽幅电潜泵结构设计与内部流场特性分析韦敏车传睿?龚俊孙金峰3齐立典4(1中国石化胜利油田分公司海洋采油厂,山东东营257099;2中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院,成都610095;3中国石化胜利油田分公司东辛采油厂,山东东营257099;4中国石化胜利油田分公司工程建设管理部,山东东营257099)摘要:电潜泵作为海上原油开采的重要设备,随着海上油田开采的不断发展,其应用也逐渐广泛起来。随着油田提液后产液量范围变大,采用常规电潜泵会造成垫片磨损、泵检周期缩短及泵寿命减少等问题。为适应宽幅、长效举升的要求,提出了一种斜流式叶轮的宽幅电潜泵,建立宽幅电潜泵的三
2、维模型并进行数值模拟,分析了宽幅泵的压力场和速度场变化,并与常规电潜泵进行试验对比。结果表明,所设计宽幅电潜泵增压效果明显,高效区范围广,达到了宽幅要求,高效流量区较常规电潜泵扩宽12 1.0 5%,对新型宽幅电潜泵的开发及电潜泵长效举升具有重要意义。关键词:宽幅电潜泵结构设计数值模拟内部流场压力分布中图分类号:TH36文献标识码:A随着当代工业的快速发展,油气资源的需求量与日剧增,陆地油气资源的开采难以满足当代工业发展的需求,海上的油气资源受到各行各业的关注1-3 。电潜泵举升是海上油田开采的主要举升方式,具有结构简单、流量高、扬程高等优点,被广泛用于含水率高、含泥沙等复杂海上工况4。电潜泵
3、的工作原理与多级离心泵类似,通过导叶轮的旋转使介质增压,达到举升目的5。因此,电潜泵导叶轮的结构是决定其性能的重要因素之一,其结构可分为径流式和斜流式。常规径流式电泵的排量范围为泵额定流量的8 0%12 0%,当海上油田液量范围变化较大时,径向流电泵处于低效工况区,导致电潜泵磨损加剧,检泵周期大大缩短,不能满足海上油井长寿高效运行。针对海上油田电潜泵高效举升流量范围小的问题,国内外学者针对宽幅电潜泵前期也开展了相应的研究,李越等6 使用软件进行宽幅电潜泵的优化设计,通过优化叶片包角和叶片厚度,减少水力损失,提高了潜油电泵的效率。张光一等7 对宽幅电潜泵叶导轮进行了建模、工作过程模拟以及运行特性
4、分析,结果表明宽幅电潜泵的内部流场稳定,宽幅叶导轮性能良好。庞向东8 研究了电潜泵在腐蚀环境中的腐蚀机理,通过对电潜泵进行设计来改善其耐腐蚀性能。王尊策等9 通过数值模拟的方法,对电潜泵叶轮的冲蚀磨损进行了研究,结果表明介质中固体颗粒含量较高时,电潜泵叶轮磨损加重。董绍礼等10 公开了一种高扬程宽幅电潜泵叶轮结构,叶轮后盖开设轴向减压孔,叶片出口带有凸台,该叶轮具有扬程高、高效流量区宽的特点。YANGYangl采用将数值模拟和Taguchi方法相结合,以设计流量条件下的扬程和效率为评价指标,在贝塞尔曲线的基础上,对电潜泵扩压器经线轮毂和叶轮的型线进行优化,从而达到了提高效率且降低能耗的目的。数
5、值模拟可以直观观测到电潜泵内流场的变化规律。ABHAYPATIL等12 采用数值模拟计算方法,通过观察流动参数随转速的变化来研究流体的流动特性,利用相似分析表征流体的性能,最终得出,随着转速的增加,泵的水力性能得到了改善。ZHU Jian-jun等13 通过试验研究和计算流体力学模拟,研究了油液粘度对电潜泵性能的影响,通过将不同粘度的油以不同的流速和转速流过电潜泵,最终得出叶轮叶片尾缘的再循环流动在低液体流量时更加明显。HUGOPINEDA等14 基于CFD技术选用VOF模型对电潜泵两相流进行数值模拟,研究了电潜泵气体含量和进口位置空隙率对泵扬程的影响,得出进气压力增高使泵扬程增加。DHA-2
6、023年第5期12小原枝术NASEKARANARUMUGAM等15 研究多级电潜泵在不同转速下压力脉动特性,通过对压力信号进行时域和频域分析,得到转速和泵级对电潜泵压力脉动特性的影响。目前,斯伦贝谢、贝克休斯等国外知名的电泵公司都推出了宽幅电潜泵产品,而国内公司的宽幅电潜泵产品与国外公司的产品还有较大差距。为设计出更宽排量范围的电潜泵,本文通过优化设计电泵进口、叶轮、导轮等结构,设计了适用于宽流量范围的宽幅电潜泵。为验证所设计宽幅电潜泵的性能,采用数值模拟计算的方法,分析了宽幅电潜泵工作过程中的内部压力场、速度场的变化规律,并通过试验验证宽幅电潜泵的性能,确保不同流量波动条件下泵效率的可靠性,
7、延长电潜泵使用寿命,为海上平台长效举升打下坚实基础。1宽幅电潜泵结构设计电潜泵的核心结构为随轴旋转的叶轮和静止的导叶,本文设计了一种单级扬程4.5m、流量240m/d的宽幅电潜泵结构。叶轮和导叶三维结构如图1所示,叶轮出口为斜流形式。叶轮及导叶的具体参数如表1所示。(a)宽幅电潜泵叶轮结构(b)宽幅电潜泵导叶结构图1宽幅电潜泵叶轮和导叶结构表1叶轮和导叶结构参数优化后的宽幅电潜泵叶轮叶轮出口宽度/mm10叶轮出口直径/mm79叶轮人口宽度/mm12叶轮入口直径/mm52叶轮叶片进口角/()23.3叶轮叶片出口角/()32.9叶倾角/()47.48轴径/mm18叶轮高度/mm45导叶叶片数8叶轮
8、叶片包角/()88叶轮叶片数51.1数值计算模型和方法1.1.1三维模型对所构建宽幅电潜泵的流体域进行三维建模,流体域主要包括:进口段、叶轮、导叶和出口段,如图2 所示。1.1.2控制方程宽幅电潜泵内的流体流动遵循连续性方程、动量方程和能量方程连续性方程如式(1)所示:P+(pu)=0(1)ata卫式中,与pu为单位体积内质量的增量at与净流出。动量方程如式(2)所示:图2宽幅电潜泵流体域2023年第5期13小原技术)U=f(2)atP式中,为局部惯性力;(u)为对流惯t性力;于为质量力;一Vp为压强差。P能量方程如式(3)所示:dpTa(puT)a(puT)(puT)atay2kaTkaTk
9、aT+ST+(3)式中,Cp为比热容;T为温度;k为传热系数;ST为黏性耗散项1.1.2.1网格划分及网格无关线性验证对所构建宽幅电潜泵的流体域进行网格划分,包括进口域、叶轮、导叶和出口域。为避免网格大小和质量对模拟结果的影响,设置相同的边界条件进行网格无关性验证,表2 为不同网格数下扬程的模拟计算值。第3 组与第4组扬程相差不大,因此选用网格数较少的第3 组模拟数据作为结果。流体域网格划分结果如图3 所示。进口段网格总数为22290,叶轮网格总数为18 6 2 2 9,导叶网格总数为238765,出口段网格总数为2 2 48 6。1.1.2.2边界条件设置边界条件设置为压力人口、质量流量出口
10、,进表2宽幅电潜泵流体域网格无关性验证模拟组别最大网格尺寸网格总数扬程/m11.22801444.3821.13562734.4531.04697704.4940.96477684.51图3宽幅电潜泵流体域的结构图口压力为10 13 2 5Pa,出口流量为2.7 7 kg/s。流模型选用k-模型,对流项选取二阶迎风格式进行离散,扩散项选取一阶迎风格式进行离散。设置叶轮转动速度为3 0 0 0 r/min,其余均为静止部件。2宽幅电潜泵内部流场模拟分析2.1压力场分析2.1.1全流道压力分析宽幅电潜泵子午截面的压力分布如图4所示,可以看出,在泵的进口处压力较小,随着流体在叶轮中流过,通过高速转动
11、的叶片使得流体增压增速,使得介质压力逐渐提高,压力在出口位置达到最大。经过导叶之后,流体流动方向改变,被均匀地引人下一级导叶轮。2.1.2叶轮压力分析选取叶轮的中心截面对其压力云图进行分析,从图5中可以看出,在叶轮运转平稳后,叶轮人口Pressurepressurezwm1.531e+051.464e+051.397e+051.330e+051.264e+051.197e+051.130e+051.063e+059.967e+049.300e+048.632e+04Pa图4子午截面压力云图Pressureimpllercenterpressure1.354e+051.303e+051.253e
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