氣液比對轉子式油氣混輸泵球閥滯后角的影響

張生昌，張玉林，方志明，柯愈龍

（浙江工業大學，杭州 310014）＊

新型轉子式油氣混輸泵在出口增設了1組球閥，能更好地適應油氣混輸工況。但泵閥在運動過程中存在滯后，將造成泵的容積損失率增加，容積效率下降［1］。此外，由于滯后角的存在，排出管路將會產生流量脈動而影響泵的穩定性［2－3］。在油氣混輸工況下，氣液比是影響轉子式油氣混輸泵出口單向閥滯后角的一個重要因素，而目前有關氣液比對滯后角影響的研究較少［4］，因此開展氣液比對該泵閥滯后角影響的研究，不僅對提高轉子式油氣混輸泵容積效率和減小流量脈動具有重要意義，還可為減小轉子式油氣混輸泵出口球閥滯后角提供參考。

1 建立氣液比與滯后角關系式

為便于分析氣液比對轉子式油氣混輸泵出口球閥滯后角的影響，做4個假設。

1）不考慮液體的壓縮性。

2）氣體的壓縮過程為絕熱壓縮過程。

3）轉子型線近似為直線。

4）不考慮泵腔內的余隙容積。

1.1 出口球閥的開啟壓力

出口球閥結構如圖1所示。

圖1 出口球閥結構

泵閥開啟壓差的計算公式為［5］

式中：Δp為泵閥開啟壓差，MPa；G為閥球重力，G＝ρVg，N；ρ為閥球密度，kg／m3；V為閥球體積，m3；g為重力加速度，m／s2；d0為閥座孔直徑，m；d1為閥座出口最大直徑，m。

開啟壓差Δp＝p2－pc，其中pc為泵的出口壓力，MPa；p2為開啟壓力，MPa。則開啟壓力為

1.2 泵腔容積［6］

轉子式油氣混輸泵工作原理如圖2所示。

圖2 轉子式油氣混輸泵工作原理

轉子結構如圖3所示。由圖3可推得泵腔容積的表達式為

式中：β為轉子外圓包角，（°）；α為轉子內圓包角，（°）；R為轉子外徑，m；r為轉子內徑，m；B為轉子寬度，m；Vc為泵腔容積，m3。

圖3 轉子結構

1.3 壓縮終了時的介質體積

轉子式油氣混輸泵是回轉式容積泵，且只有出口單向閥。假設忽略液體的壓縮性及泵的余隙容積，轉子式油氣混輸泵的滯后角是指泵在輸送油氣混合介質時，由于氣體的內壓縮過程使轉子轉動一定角度φ后出口單向閥才開啟，則角度φ稱為轉子式油氣混輸泵的滯后角。

根據轉子式油氣混輸泵運動規律，并結合圖3可得壓縮終了時的介質體積表達式為

式中：φ為出口單向閥開啟滯后角，（°）；V2為壓縮終了時的介質體積，m3。

絕熱壓縮過程中氣體的狀態變化為

式中：p2為閥的開啟壓力，即氣體壓縮終了壓力，MPa；p1為氣體介質初始壓力，即泵的入口壓力，MPa；Vg1為壓縮前氣體介質體積，m3；Vg2為壓縮后氣體介質體積，m3；γ為氣體介質的比熱比。

由式（5）可得Vg2的表達式為

令氣液比為τ，則壓縮前氣體介質體積Vg1為

油氣混合介質壓縮終了時的體積V2為

式中，（1－τ）Vc為液體介質體積。

將式（6）～（8）代入式（4）并化簡得氣液比與滯后角關系式為

2 計算實例

已知泵的基本參數為：閥座孔直徑d0＝0.065 m；閥座半錐為45°；閥座出口最大直徑d1＝0.075 m。閥球半徑Rd＝0.045m；取閥球材質為聚甲醛，聚甲醛密度為ρ＝1420kg／m3。轉子外徑R＝0.14 m；轉子內徑r＝0.085m；轉子寬度B＝0.1m；轉子外圓包角β＝90°，內圓包角α＝88°。泵轉速n＝500 r／min；泵流量為Q＝100 m3／h；原油密度ρl＝856 kg／m3；氣體介質為天然氣，其比熱比γ＝1.3。進口壓力p1＝0.2 MPa。

當出口壓力pc分別為1.0、1.2、1.4 MPa時，將參數代入以上各式，經計算可得氣液比為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0時出口球閥的滯后角，如表1所示。

表1 不同氣液比時出口球閥的滯后角

由表1可得出口壓力分別為1.0、1.2、1.4MPa時，氣液比與滿后角之間的關系曲線，如圖4所示。

由表1可知：

1）氣液比對該泵出口球閥的滯后角的影響較大。例如當出口壓力為1MPa、氣液比為0.1時，滯后角達到6.4°。因此，需要采取措施減小氣液比對滯后角的影響。

2）對于給定的1臺泵，雖然其轉子尺寸、球閥尺寸、閥球密度是確定的，且油井中的氣體主要為天然氣，則可認為氣體的比熱比也是確定的，但在滿足該泵輸送要求的前提下，入口壓力p1一定時，可通過調整其出口壓力pc，則該泵球閥的開啟壓力p2改變，即改變泵的內壓縮比p2／p1來改變該泵球閥的滯后角。

3）由圖4可觀察出，隨著內壓縮比的增加，直線的斜率增加。即氣液比一定時，球閥開啟滯后角隨內壓縮比的增大而增大。當內壓縮比較大時，排出管路產生流量脈動較大，對泵的穩定性影響較大。因此，為了減小氣液比對滯后角的影響，可以適當降低泵的內壓縮比。

圖4 滯后角隨氣液比變化曲線

3 結論

1）針對轉子式油氣混輸泵出口球閥，推導了滯后角與氣液比的關系式。由公式可知：滯后角隨氣液比的增加而增大。滯后角與氣液比成正比例關系，比例系數由泵的轉子尺寸、球閥尺寸、閥球密度、泵進出口壓力及氣體介質的比熱比確定。

2）為了減小氣液比對滯后角的影響，可以采取降低該泵內壓縮比的措施。

3）研究結果為減小氣液比對該泵出口球閥滯后角影響提供了參考。

［1］鮑慧梅，張生昌.計量泵自重球閥滯后對計量精度影響的分析［J］.流體機械，2007，35（11）：45－48.

［2］韓致信，安宗文，胡玉霞，等.基于泵閥滯后角的三缸泵流量動態特性［J］.石油機械，2002，30（10）：22－24.

［3］李秀蓮.泵閥滯后角影響下的鉆井泵空氣包排出管路流量的研究［J］.常州技術師范學院學報，2000，6（2）：32－36.

［4］程立新，陳聽寬.多相流混輸泵的性能及其研究現狀［J］.石油礦場機械，1999，28（5）：22－25.

［5］郭光偉，張志杰.往復泵自動式球閥開啟壓差的計算［J］.林業機械與木工設備，1998，26（7）：17－18.

［6］張生昌，張玉林，方志明.新型轉子式油氣混輸泵出口球閥運動規律分析［J］.石油礦場機械，2012，41（10）：20－23.