CN1285835C - 叶片式油气水多相增压泵 - Google Patents

Abstract

一种叶片式油气水多相增压泵，至少包括增压装置、轴承及密封装置、动力装置，增压装置与动力装置的转轴同心设置，并通过轴承及密封装置固设在各自的转轴上，增压装置通过联轴器与动力装置相连，动力装置带动增压装置工作，多相流体在增压装置中增压后输出，增压装置为依次连接的吸入单元、多相增压单元、末级扩压段和压出室。本发明兼顾了叶片泵和压缩机的性能，优化后的叶片式多相泵能够避免或延缓叶轮流道内气液两相间相态分离的发生，提高了叶片泵在输送多相流体时的性能；采用开式结构，泵壳上开设排沙孔，可用于输送含沙混合介质；动力驱动装置采用变频装置，配合多相流体缓冲均混器和自动监控***，保证多相泵具有良好的变工况性能。

Description

叶片式油气水多相增压泵

技术领域：

本发明涉及一种多相增压泵，尤其是一种叶片式油气水多相增压泵，属于机械制造和多相流技术领域。

背景技术：

80年代末，随着石油工业从陆上向自然环境相对恶劣的海洋和沙漠的转变，从相对集中的大型油气田转向小型边际油气田以及卫星油田的开发，以多相增压泵为核心的远距离输送未经处理的多相井流的油气多相混输技术，以其显著的技术优势和可观的经济效益得到各大石油公司的广泛关注。但是由于多相流的复杂性以及我们对多相流认识的局限性，在油气水多相井流的远距离输送过程中，传统的气、液分离、通过泵和压缩机分别增压输送的方式依旧占据主要地位，在一些短距离的混输管线中，气液分别增压后再混合输送的方式也占有相当大的比例，究其根本在于适合于现场应用的油气水多相增压技术即多相泵的研制本身具有相当大的难度，这一技术研究的关键在于寻求一种兼顾泵和压缩机性能多相泵的设计方法。

国外在多相增压泵的研制方面已经取得一些初步的研究成果，试制了近10种不同类型的多相泵，其中最具代表性的是海神计划的研究成果螺旋轴流式多相泵和德国Bornemann泵业公司等生产的双螺杆式多相混输泵。目前这两种泵已有部分工业化产品，并在世界各地的陆上、海上油田以及深水油田开发中得到应用。但到目前为止，多相增压泵的性能还远远不能满足油田现场的实际需要，一方面，由于多相流动的复杂性，以及泵对流态和含气率的依赖性，目前多相泵的使用范围还受到一定限制；另一方面多相泵在高进口气液比工况下的性能和效率都有待提高，螺旋轴流泵当进口气体体积含量达到50％时，最佳效率只有约45％，而双螺杆式多相泵一方面对固体颗粒比较敏感，同时体积较大，在进口气体体积含量超过70％以后，其效率也迅速降低，同时多相泵还面临的抗干转、密封、润滑等一系列的技术问题。就我国的实际情况而言，一方面，由于国外对现有关键技术产品严格保密，另一方面由于我国油品具有高粘、高凝、含沙、油气比变化大的特征等特点，国外引进的多相泵在油田现场使用中也出现和遇到了一系列技术问题，如多相泵对流型的适应性、干转、振动、密封泄露、杂质卡轴等，所以开发适合我国油田特色的多相泵势在必行。

在我国，早在60年代大庆油田、胜利油田就曾对三螺杆、单螺杆式多相泵进行过开发研制，但都因技术难度大、或这样那样的原因，未能继续深入研究。进入90年代以来，我国各大石油公司本着引进与开发研制相结合的原则，一方面引进国外较成熟的设备在陆上油田或海上平台进行应用研究，一方面与科研院所联合进行多相泵的研究工作，天津工业泵厂、船舶工业总公司711所等研制的双螺杆泵、兰州奈茨泵厂研制的单螺杆式混输泵已进入现场实验和应用研究阶段，从目前情况看，引进和自行设计的多相混输装置在运行过程中都存在这样或那样的问题，可以说在一定程度上多相泵自身存在的技术问题已经制约了这一技术的推广和应用。

国内研制开发的多相泵基本上是容积式多相泵，以双螺式多相泵为例，其典型特点是中小流量、中高增压，而我国目前开发的双螺杆泵多相泵实验样机多为中低增压，对固体颗粒敏感，在同等设计条件下，与叶片式机械相比其尺寸和重量都较大；对于传统的叶片泵而言，由于高速旋转时离心力的作用，使得具有不同性质的液体和气体很容易发生相态分离，从而导致泵在气液两相流条件下的效率急剧降低甚至不能工作，常规离心泵当进口气体体积含量达到4％时，其效率就迅速降低，当进口气体体积含量超过10％时基本上无法运转；轴流泵基本在进口气体含量超过20％以后，效率急剧降低直到失去增压能力。

发明内容：

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种叶片式油气水多相增压泵，兼顾泵和压缩机性能，能够保证叶片间具有很长的方形通道、较大的流道曲率半径，避免或延缓叶道内气液两相间相态分离的发生，提高叶片式多相泵在多相输送条件下的性能。

本发明的又一目的在于，针对现有技术的不足，提供一种叶片式油气水多相增压泵，泵壳采用分段式设计，便于维修和更换，采用开式结构，并具有排沙结构，可输送一定含沙量的混合介质，总体采用立式结构，从而保证最小的海上和水下安装。

本发明的另一目的在于，针对现有技术的不足，提供一种叶片式油气水多相增压泵，提出多级泵的优化设计方法，对提高多相泵的整体运行性能具有重要的意义。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种叶片式油气水多相增压泵，至少包括增压装置、轴承及密封装置和动力装置，其中，增压装置与动力装置的转轴同心设置，增压装置和动力装置均通过轴承及密封装置固设在各自的转轴上，增压装置通过联轴器与动力装置相连，动力装置带动增压装置工作，多相流体在增压装置中增压后输出，所述增压装置为依次连接的吸入单元、多相增压单元、末级扩压段和压出室。

所述末级扩压段为优化的径向设计，所述压出室为环形压出室。

多相增压单元由叶轮、级间流态调节器组成，其中，叶轮通过键固设在转轴上，并随之转动；级间流态调节器通过连接装置固设在多相泵壳体上并套设在转轴上，级间流态调节器不随转轴转动，在叶轮和级间流态调节器的外部围设有分段式泵壳。

级间流态调节器外表面设有一个以上导叶，用于疏导流体的流动方向和剪切较大的气团或液塞。

叶轮采用锥型轮毂，剖面为梯形，其内部开设通孔；并设有使叶轮与转轴连接的键槽；在叶轮的外壁圆周上设有一个以上螺旋型的叶片，所述叶片从轮毂到轮缘逐渐变薄。进一步地，所述叶轮的轮毂半锥角为7°～12°，叶片进口角为3°～12°，叶片数为3～6个。

多相增压单元为一个以上，每个多相增压单元的泵壳首尾衔接并彼此抵紧，首、末两个多相增压单元的顶端和底端分别设有压板，该压板通过穿设其间的压紧装置将多个增压单元固定、压紧；该压紧装置为长螺栓。

上述的连接装置为套筒，套筒外壁固设在泵壳内壁上，其内壁套设在级间流态调节器上并与其间隙设置，级间流态调节器套设在增压装置的转轴上，且不随转轴转动。多相增压装置泵壳外壁设有冷却盘管，用于防止转轴干运转时引起的叶轮、轴承或其他部件的热膨胀和损坏。

增压装置入口处设有吸入单元，该吸入单元包括导流锥和均化轮，导流锥的锥顶与泵体的入口对正设置，锥体与两侧泵壳形成流体通道，导流锥的底部固设在增压装置的转轴上，导流锥和均化轮用于梳直流体。导流锥外壁表面上开设有导流槽，用于疏导流体流向并剪切气团或液塞。导流槽的开槽方向与叶片的螺旋方向一致，用于使多相流进一步均匀混合，防止砂粒在导流锥前沉积。导流锥与均化轮可一体连设。

动力装置***设有冷却盘管，外部还架设有操作面板。

综上所述，本发明的优点在于：

1、优化后的叶片式多相泵兼顾泵和压缩机性能，能够保证叶片间具有很长的方形通道、较大的流道曲率半径，避免或延缓叶道内气液两相间相态分离的发生，提高叶片式多相泵在多相输送条件下的性能；

2、采用开式结构，并具有排沙结构，可输送一定含沙量的混合介质。

3、泵壳上设计有具有冷却盘管，可以防止干运转时引起的叶轮、轴承或其他部件热膨胀和损坏。

4、具有进口均化器和级间流态调节装置，保证叶片式多相泵各级叶轮良好的工作条件和性能。

5、采用高速变频电机，并辅有运行监控***，配合多相缓冲均混装置，保证多相泵的具有良好的变工况性能。

6、出口设计有径向扩压段和压出室，可以进一步将实现压力能的转化，并为气液两相之间的能量交换和均衡提供保证。

7、泵壳采用分段式设计，便于维修和更换，进口部分泵壳底部设有排沙孔，可用于输送含沙混合介质。

8、总体结构采用立式结构，从而保证最小的海上和水下安装尺寸。

9、多级泵的优化设计，对提高多相泵整体运行性能具有重要的意义。

综上所述，本发明节约设备和管线建设费用、大大简化油气集输的工艺流程、降低操作费用的同时，通过降低井口背压，提高油田的采收率，实现边际油田、卫星油田和深水油田的经济开采。

附图说明：

图1为本发明叶片式油气水多相增压泵结构示意图之一；

图2为本发明多相增压单元结构示意图之一；

图3为本发明叶轮剖面示意图；

图4为本发明级间流态调节器结构示意图；

图5为本发明导流锥结构示意图之一；

图6为本发明导流锥结构示意图之二；

图7为本发明叶片式油气水多相增压泵结构示意图之二；

图8为本发明多相增压单元结构示意图之二。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细地说明：

如图1所示，为本发明叶片式油气水多相增压泵结构示意图。从图中可知：为了适应海上平台和未来深水油田的应用，整个叶片式多相泵采用立式设计，主要由动力装置1、密封、轴承装置2和增压装置3组成，动力装置1通过密封、轴承装置2、联轴器与增压装置3连接。该多相增压泵要求转轴高速旋转，因此通常动力装置1采用高速变频防爆电机。

增压装置3中有包括有吸入单元31、多相增压单元32、末级扩压段33、泵壳34以及其他辅助装置，比如：轴承、密封、润滑***等组成，在泵壳34外部还设有冷却盘管35。

在增压装置3入口处设有吸入单元31，该吸入单元包括导流锥311和均化轮，导流锥311的锥顶与泵体的入口对正设置，锥体与两侧泵壳形成流体通道，导流锥311的底部固设在转轴上，导流锥311和均化轮起到梳直流体的作用。如图5、6所示，导流锥311外壁表面上开设有导流槽3111，用于疏导流体流向。导流槽3111的开槽方向与叶片的螺旋方向一致，可以使多相流进一步混合均匀，防止在导流段发生湍流使砂粒在导流锥前沉积。导流槽3111的主要作用是为了梳直流体，保证进入泵壳的流体在入口处有符合要求的速度场，当速度分布均匀时，水力损失最小。

如图7所示，为本发明叶片式油气水多相增压泵的结构示意图之二。从图中可知，多相增压单元32的数量为一个以上，每个增压单元32都是由叶轮321和级间流态调节器322组成，其外部设有分段式泵壳322。一个以上增压单元32通过其外部的长螺栓4压紧。

在叶片式油气水多相增压泵中，每个增压单元32均由叶轮321和级间流态调节器322组成，级间流态调节器322通过套筒324固定在泵壳325上，其结构如图2、图8所示。多相流体在高速旋转的叶轮321中获得动能，而级间流态调节器322的作用在于将多相流体的动能转换为压力能，并起到整流作用，即将前一级排出的大气团打碎，形成均匀的混合流，为下一级叶轮的正常工作提供保证。叶轮321和级间流态调节器322强迫泵输介质沿轴向运动，有效地减缓和抑制了气液两相介质在流道内的相态分离，保证泵内气液两相均匀流，从而有效地提高了泵在多相流工况下工作性能和效率。与常规单相泵相比，其工作的进***气率范围为0-100％，效率的下降点在进***气率达到或超过50％以上。

叶轮321的具体结构如图3所示。图中叶轮321外表面上设置的叶片3212为四个。轮毂3211有一定的锥度，叶片3212从轮毂3211到轮缘逐渐变薄，叶型兼顾泵和压缩机中叶型的特点，保证沿流动方面和垂直流动方向的压力递增速度比较平缓，以防止或减缓气液两相间相态分离的发生。由于参数的选取对叶轮的流动性能具有决定性作用，而合理的结构设计可以有效地防止气液两相分离，是保证两相输送的必要条件。经过理论和实验的反复论证，给出叶片的基本设计参数选取范围见表1，这些参数的优化和合理选取，对保证泵在油气水多相条件下良好的工作性能提供了保证。

在叶片式油气水多相增压泵中，紧靠叶轮321后面装有级间流态调节器322，其功能除了消除叶轮321出口流体环量，将流体的动能转换为压力能外，还可以利用其上安装的导叶3221的剪切的作用，破碎叶轮321出口形成的气团或液塞，在一定程度上调整气液两相流体流动状态，为下一多相增压单元的正常工作提供保证。导叶3221的扩压度和叶型要根据压缩单元的吸入条件，所述的吸入条件包括：气液比、吸入压力等条件，而且要根据泵轴转速的大小而定。叶片式油气水多相增压泵中导叶3221的具体结构如图4所示，导叶3221轮毂为锥形结构，具体设计中采用流线法进行。图中导叶3221的数量为十三枚。

如图1所示，增压装置3的末端设有末级扩压段33和压出室，用于实现多相流体动能向压力能的转变。末级扩压段33为优化的径向设计，压出室可以采用环形压出室，一方面保证动能的进一步转化，另一方面也可以使具有相对速度差气液两相间能量进一步交换能量，减少速度滑差。

从图1中可知，叶片式油气水多相增压泵除了上述的主要装置之外，还包括轴承、密封、润滑等辅助装置。增压泵的泵体采用分段设计，便于安装和拆卸，在首级泵体中有定期除沙孔；在泵的末级装有冷却水套，用于保障泵在干运转工况下的工作性能。

根据气体的可压缩性，前后级叶片采用不同的设计参数，前几级设计的重点在于避免气液之间的相态分离，所以扬程系数的选取和增压值的选取都比较保守，后面几级的设计重点放在混合增压上，设计增压值比较大。

另外，多相泵机组的设计采用立式结构，电机在上部、泵体在下部，泵的转速采用变频调速器，泵的进出口具有压力、温度、流量测试装置，为变频器根据来流情况变化进行转速调节提供依据。

表1  多相增压泵叶轮设计参数的选择范围

叶轮主要参数	取值范围	选取原则
			扬程系数ψ1	0.17～0.26	保证一定增压，与流量系数协调确定泵进口尺寸
流量系数φ1	0.01～0.20	必须兼顾确保两相输送和外径要求
			进口轮毂比htr	0.65～0.95	与比转速有关，随比转速的减小而增大
轮毂半锥角γ	7°～12°
			叶栅稠度σ	1.6～2.5	与叶片数有关，随叶片减小而减少
叶片进口角β1	3°～12°
			叶片进口冲角Δβ1	2°～9°
叶片数Z	3～6
			叶片最大厚度δMAX	轮缘处(0.07～0.3)LY	厚度越薄越好，但应满足强度要求(LY：弦长)
出口修正角Δβ2	1°～5°
			轮缘径向间隙	0.15～0.32mm	尽可能减小，但应考虑结构、安装、运行等方面要求
叶片角β	6°～13°
			叶片倾斜角θ	0°～6°

所述的增压装置在用于6级以上工业用多级泵的设计时，采用分段设计，增压单元设计根据级数变化而有所改变。在叶片式油气水多相增压泵的出口设有压出单元，压出单元由径向扩压段和压出室组成，可以进一步将实现压力能的转化，并为气液两相之间的能量交换和均衡提供保证。

因此，本发明将使得油气水多相不分离增压也即多相增压成为可能，在节约设备和相应管线建设费用、大大简化油气集输的工艺流程，降低操作费用的同时，可以通过降低井口背压，提高油田的采收率，实现边际油田、卫星油田和深水油田的经济开采。

与容积式多相泵样机相比，该***的设计思路为高转速、低重量、小体积、大流量，具有一定的防沙功能，并考虑平台和未来水下的应用前景，采用立式结构，便于进一步水下撬装化设计。

与一般的叶片泵相比，本发明针对现有技术的不足，借鉴单相泵和压缩机的设计方法，同时考虑多相流体的特殊性，特别是气体压缩性，通过叶片泵的总体结构的优化设计，特别是兼顾泵与压缩机性能的叶片叶型的优化设计，使得泵内气液之间相态分离程度大大减弱，从而在很大程度上改进叶片泵在多相流条件下的工作性能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1、一种叶片式油气水多相增压泵，至少包括增压装置、轴承及密封装置和动力装置，其中，增压装置与动力装置的转轴同心设置，分别通过轴承及密封装置固设在各自的转轴上，增压装置通过联轴器与动力装置相连，动力装置带动增压装置工作，多相流体在增压装置中增压后输出，其特征在于：所述增压装置、密封装置和动力装置采用立式结构，所述增压装置为依次连接的吸入单元、多相增压单元、径向优化的末级扩压段和环形压出室，所述多相增压单元的泵体采用分段式泵壳，在首级泵体中设有除沙孔，在泵的末级装有冷却水套，所述动力装置为变频防爆电机；所述的多相增压单元由叶轮、级间流态调节器组成，其中，叶轮通过键固设在转轴上，并随之转动；级间流态调节器通过连接装置固设在多相泵壳体上并套设在转轴上，级间流态调节器不随转轴转动，在叶轮和级间流态调节器的外部围设有分段式泵壳，所述叶轮的扬程系数为0.17～0.26，流量系数为0.01～0.20，进口轮毂比为0.65～0.95，轮毂半锥角为7°～12°，叶栅稠度为1.6～2.5，叶片进口角为3°～12°，叶片进口冲角为2°～9°，叶片数为3～6个，叶片最大厚度为0.07～0.3倍弦长，出口修正角为1°～5°，轮缘径向间隙为0.15～0.32mm，叶片角为6°～13°，叶片倾斜角为0°～6°。

2、根据权利要求1所述的叶片式油气水多相增压泵，其特征在于：所述的级间流态调节器外表面设有一个以上导叶，用于疏导流体的流动方向和剪切气团或液塞。

3、根据权利要求1所述的叶片式油气水多相增压泵，其特征在于：所述的叶轮采用锥型轮毂，剖面为梯形，其内部开设通孔；并设有使叶轮与转轴连接的键槽；在叶轮的外壁圆周上设有一个以上螺旋型的叶片，所述叶片从轮毂到轮缘逐渐变薄。

4、根据权利要求1所述的叶片式油气水多相增压泵，其特征在于：所述的每个多相增压单元的泵壳首尾衔接并彼此抵紧，在首、末两个多相增压单元的顶端和底端分别设有压板，且该压板通过穿设其间的压紧装置将一个以上多相增压单元固定、压紧。

5、根据权利要求1所述的叶片式油气水多相增压泵，其特征在于：所述的连接装置为套筒，套筒外壁固设在泵壳内壁上，其内壁套设在级间流态调节器上并与其间隙设置，级间流态调节器套设在增压装置的转轴上，且不随转轴转动。

6、根据权利要求1所述的叶片式油气水多相增压泵，其特征在于：所述的冷却水套为设置在多相增压装置泵壳外壁内的冷却盘管，用于防止转轴干运转时引起的叶轮、轴承或其他部件的热膨胀和损坏。

7、根据权利要求1所述的叶片式油气水多相增压泵，其特征在于：所述的增压装置入口处设有吸入单元，该吸入单元包括导流锥和均化轮，导流锥的锥顶与泵体的入口对正设置，锥体与两侧泵壳形成流体通道，导流锥的底部固设在增压装置的转轴上，导流锥和均化轮用于梳直流体。

8、根据权利要求7所述的叶片式油气水多相增压泵，其特征在于：所述的导流锥外壁表面上开设有导流槽，用于疏导流体流向并剪切气团或液塞。

9、根据权利要求8所述的叶片式油气水多相增压泵，其特征在于：所述的导流槽的开槽方向与叶片的螺旋方向一致，用于使多相流进一步均匀混合，防止砂粒在导流锥前沉积。

10、根据权利要求7所述的叶片式油气水多相增压泵，其特征在于：所述的导流锥与均化轮一体连设。

11、根据权利要求1所述的叶片式油气水多相增压泵，其特征在于：所述的动力装置***设有冷却盘管，用于冷却动力装置，其外部还架设有操作面板。

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