雙螺桿油氣混輸泵特性分析

梁光川，程圓晶，廖沖春，馬培紅，趙 毅

（1.西南石油大學石油工程學院，成都610500；2.中國石油集團工程設計有限責任公司，成都610015；3.中國石化集團西北油田分公司工程院，烏魯木齊830011）

雙螺桿油氣混輸泵特性分析

梁光川1，程圓晶2，廖沖春3，馬培紅3，趙 毅3

（1.西南石油大學石油工程學院，成都610500；2.中國石油集團工程設計有限責任公司，成都610015；3.中國石化集團西北油田分公司工程院，烏魯木齊830011）

總結國內外雙螺桿泵特性研究成果，并分析各類實測性能曲線。其回流增壓特性利用了氣體的可壓縮性來提高泵的容積效率，回流損失和容積效率是該泵流量特性的關鍵指標，主要受泵內間隙尺寸和運行參數的影響。壓力差、含氣率、轉速等運行參數對容積效率的影響較復雜。容積腔內壓力沿螺桿逐漸升高，對于單相流，各容積腔壓力線性遞增；含氣率越高，出口端壓力梯度越大；泵軸功率不受含氣率的影響。泵效隨轉速的升高而升高，隨含氣率升高而降低。粘度增高時泵的軸功率和容積效率會提高，水力損失會增加，泵效的變化需要試驗確定。研究結果對泵的選用與運行維護具有指導意義。

雙螺桿泵；特性分析；容積效率

雙螺桿油氣混輸泵是1種集壓縮機和液體泵的性能于一身的多相流增壓裝置。在油田集輸系統中，常用于將油井采出的油氣水多相流輸送至較遠的接轉站或聯合站，以降低井口壓力，增加產量。國內外試驗測試及油田使用情況表明，雙螺桿泵作為出色的多相泵具有2個優點［1－2］：

1） 對任意氣液比的多相流體，高凝固點、高粘度流體都有較好的增壓效果，適用工況：流量10～1 000m3／h，壓力0～10MPa。

2） 集壓縮機和液體泵的性能于一身，省去了站場分離設備和管道投資，提高了邊遠油田、衛星油田的經濟開采性。

隨著雙螺桿泵的廣泛應用，國內外學者已開始全面研究泵的相關特性。Egashira建立了回流量的數學模型［3］，用以分析回流量與壓差、含氣率、轉速的關系；曹鋒等建立了內部工作機理數學模型［4］，用以分析流量、功率、效率、內部壓力變化規律以及它們與含氣率、壓差、進口壓力、轉速的關系。以上模型均較復雜，不易于設計選泵和指導泵的運行管理。本文主要分析雙螺桿泵宏觀特性及各特性與其影響因素間的關系，為集輸站場選泵和泵的運行維護提供參考。

1 雙螺桿泵回流增壓機理

雙螺桿泵依靠螺桿相互嚙合而形成的工作密封腔的周期性變化來輸送流體。密封腔內的流體隨密封線向排出端勻速移動，沿流體運動方向，各工作腔內壓力逐漸上升，高壓腔內流體在壓差作用下，分別從齒頂間隙、接觸線間隙和泄露三角形區域向前一級低壓腔回流。回流使得低壓腔內氣體被壓縮，壓力升高，起到了增壓效果。回流損失使得泵實際流量小于理論流量，但雙螺桿泵利用了氣體的可壓縮性，成功地降低了回流損失，提高了泵的容積效率。

2 流量特性

泵的實際流量Qreal可表示為

式中，QTH為理論流量，m3／s；QB為回流損失，m3／s。

理論流量QTH可從螺桿的內部結構計算獲得，它與螺桿型線、螺桿導程及螺桿直徑有關，計算式為

式中，B為螺桿直徑，mm；L為螺桿導程，mm；ζ為修正系數，隨螺桿結構不同而不同；n為轉速，r／min。

3 回流損失和容積效率分析

由雙螺桿泵增壓機理和流量特性分析可知，回流不僅微觀的影響泵內壓力分布，對泵的宏觀流量特性也有較大影響。

影響泵內回流的因素分為設備的物理因素和運行參數兩方面。設備的物理因素主要是指齒頂間隙、接觸線間隙和泄露三角形的尺寸［3］。間隙尺寸越大，回流量越大。

影響回流的運行參數主要包括壓差、含氣率（GVF）、轉速、液相粘度等。運行參數對螺桿泵回流量及容積效率的影響主要有5個特點：

1） 對于單相流（GVF＝0%），轉速對回流量QB影響較小，即轉速越高，容積效率越高；對于多相流，轉速越高，回流量QB越小，容積效率越高。

2） 壓力差增加，回流量增大，容積效率降低。但文獻［5］通過實驗曲線證實了螺桿泵在高含氣率時（GVF＞80%），泵的液相流量基本不隨壓力的增加而改變。

3） 含氣率對容積效率的影響比較復雜，與壓力差和GVF值的區間相關：①泵壓差較大時，含氣率GVF越高，容積效率越高；②泵壓差較小（壓力負載率不高）時，容積效率隨GVF的變化如下：

當含氣率GVF＜K%時，容積效率隨著GVF的增加而增加；當含氣率GVF＞K%時，因氣相從螺桿間隙中產生回流，容積效率隨著GVF的增加而減小。

K為一臨界值，根據泵型號參數和運行工況的不同而變化，臨界值K與轉速和壓力差均成正比。

4） 液相粘度增大時回流損失減少，容積效率增加。

5） 沿螺桿有足夠多的基元容積腔時，泵的吸入端可能就不存在回流，此時泵吸入端的流量與泵的壓差無關。因此，容積腔數目越多，泵額定壓力越高。

4 壓力特性

雙螺桿泵回流增壓機理使得沿螺桿分布的工作腔內壓力累進升高，在出口端升高較快。沿螺桿方向的壓力分配可表示為［3］。

式中，pi為螺桿上某處的壓力，Pa；ps為泵進口壓力，Pa；pd為泵出口壓力，Pa；i為吸氣側到螺桿長度方向某處間的工作腔數；Np為螺桿長度方向上總工作腔數；γ為參數，γ在單相流動時為1，隨流體可壓縮性增大而增大。

公式表明：對于單相流，內部壓力沿螺桿線性遞增；對于兩相流，含氣率越高，介質壓縮性越好，靠近出口端的壓力梯度越大。

5 功率和效率特性

雙螺桿泵的功率特性包括有效功率、機械損失功率和水力損失功率。有效功率是單位時間內多相流體經泵加壓后能量的增量，為氣相指示功和液相指示功之和。功率與效率同轉速、流量、壓力差有關。其效率計算式為［6］

式中，Vliq為液相體積流量，m3／s；Vg為氣相體積流量，m3／s；P為泵軸功率，kW。

需要注意的是含氣率對泵軸功率幾乎沒有影響，而不是通常誤認為的含氣率越高（流體越輕），需要的軸功率越小。

對于雙螺桿混輸泵，轉速越高，泵運行效率越高；當轉速一定時，含氣率升高，泵效降低。

國內外關于粘度對雙螺桿泵運行效率影響的研究均沒有得到較為成熟的經驗公式。定性的認為，粘度增高時泵的軸功率和容積效率會提高，但水力損失會增加［7］。圖1為天津泵業W.V7.2／7.3－85型雙螺桿泵在恒轉速（950r／min）、含氣率為0%時，在不同粘度（300、750、1 500mm2／s）下的特性曲線。該曲線表明，對于該型泵，流量隨粘度的增加而增加，效率隨粘度的增加而降低。

圖1 天津泵業W.V7.2／7.3－85型雙螺桿泵特性曲線

6 溫度對雙螺桿泵安全運行的影響

流體在泵內加壓的過程中溫度會升高，且GVF越高，溫升越高。較高的溫升引起材料受熱膨脹，使各間隙尺寸減小，機械損失功率增加，造成泵效降低甚至卡泵。因此，在油氣加熱集輸泵的選用時，泵內間隙應大于常溫輸送用泵；泵運行時，應將溫度控制在安全操作溫度下。文獻［5］推薦溫升應限定在高于設計溫度15℃的范圍內。

含氣率較高時，可在泵吸入端前設置一個吸入緩沖罐。當吸入管中的介質發生段塞流、純氣干轉時，泵從緩沖罐中暫時吸入一部分液體，在兩螺桿接觸密封線之間形成油膜，減少摩擦和延緩溫升，提高泵的使用壽命。

7 結論

1） 本文在總結國內外雙螺桿泵特性研究成果和各類實測性能曲線分析的基礎上，得到了雙螺桿泵流量特性、壓力特性、功率和效率特性的基本規律；強調了溫升對雙螺桿泵運行的影響。掌握這些規律有利于雙螺桿泵的選用和維護。

2） 雙螺桿油氣混輸泵雖已廣泛應用于國內各油田，但在稠油等高粘介質下的工作特性研究較少。應進一步測取大量現場數據，研究粘度等因素對雙螺桿泵特性的影響，以指導我國稠油、超稠油油田集輸系統中雙螺桿混輸泵的運行。

［1］ 曹 鋒，邢子文，束鵬程.雙螺桿油氣多相流混輸泵內部工作機理研究［J］.機械工程學報，2001，37（3）：73－77.

［2］ 張振華，李勝彪，劉鐵嶺.邊遠小斷塊稠油采油工藝研究［J］.油氣田地面工程，2004，23（2）：17.

［3］ Egashira，Shoda，Tochikawa，et al.Backflow in Twin－Screw－Type Multiphase Pump［C］.SPE Annual Technical Conference＆Exhibition.1996.

［4］ 曹 鋒，邢子文，張小軍，等.雙螺桿混輸泵壓力建立過程的數值模擬及實驗研究［J］.西安交通大學學報，2001，35（5）：497－501.

［5］ Yamashita M，Sharma Y.Pre－Field Trial Testing of a Twin Screw Multiphase Pump［C］.the 2001SPE Middle East Oil Show held in Bahrain，2001.

［6］ Gerhard Vetter，et al.Multiphase Pumping with Twinscrew Pumps－understand and Model Hydrodynamics and Hydro－abrasive wear［C］.17th Texas A＆M International Pump Users Symposium，2001.

［7］ Gonzalez R，Corpoven.S A.Two－Screw Multiphase Pump Behavior In Heavy Crude Oil［C］.SPE Latin America／Caribbean Petroleum Engineering Conference，1996.

Characteristic Analysis of Twin－Screw Multiphase Pump

LIANG Guang－chuan1，CHENG Yuan－jing1，2，LIAO Chong－chun3，MA Pei－hong3，ZHAO Yi3
（1.Petroleum Engineering Institute，Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China；2.Engineering Design Co.，Ltd.，CNPC，Chengdu610015，China；3.Engineering Department，Northwest Oilfield Company，Sinopec，Urumqi 830011，China.）

This paper consist with research achievements about characteristic study of twin－screw pump and a variety of performance curves of twin－screw pump.Its backflow boost pressure character takes advantage of the compressibility of gas to increase the volumetric efficiency of the pump.Backflow loss and volumetric efficiency are pivotal index of discharge characteristic，they are affected by inner gap size and operating parameters.It is complex that discharge pressure and GVF and rotate speed，etc，effect the volumetric efficiency.The cubage pressure increases gradually along the screws.For single phase flow，the pressure increases progressively and linearly.The pressure gradient of exit end goes up with the GVF increasing.Shaft power of the pump isn’t affected by the GVF.Pump efficiency increases with the rotate speed decreasing and decreases with the GVF increasing.When viscosity increases the shaft power and volumetric efficiency and hydraulic loss will increase and the change of pump efficiency need to be confirmed by experiments.This study has a great means to select and maintain the twin－screw pump.

twin－screw pump；characteristic analysis；volumetric efficiency

1001－3482（2012）06－0014－03

TE933.3

A

2011－12－19

國家重大專項“塔里木盆地大型碳酸鹽巖油氣田勘探開發示范工程”專題四：超稠油集輸與處理技術配套（2008ZX05049）

梁光川（1972－），重慶人，副教授，博士，主要從事油氣儲運方面的教學和研究工作，E－mail：lgcdjr＠163.com。