双螺杆多相混输泵输送特性的实验研究

收稿日期：2012-07-18. 作者简介：杨小强（1988—），男，硕士生；曹锋（通信作者），男，教授，博士生导师. 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目（2007AA05Z208）；国家自然科学基金资助项目（51176144）.

DOI:

双螺杆多相混输泵输送特性的实验研究

杨小强，夏源，金磊，曹锋

（西安交通大学能源与动力工程学院，710049，西安）

摘要：为了研究进出口压差、进口含气率对双螺杆多相混输泵输出流量和消耗功率的影响，设计并搭建了双螺杆多相混输泵的测试实验台，在不同进出口压差及不同进口含气率工况下，对双螺杆多相混输泵的输送特性进行了实验测试。通过对实验数据的理论分析，得到了双螺杆多相混输泵输出流量及消耗功率与进出口压差、进口含气率的关系，结果表明：在纯液工况下，进出口压差从0.4MPa 增加到1.0MPa 时，双螺杆多相混输泵输出流量降低了3.7%，消耗功率增加了45.3%；在混输工况下，进口含气率从20%增加到90%，进出口压差分别为0.4MPa 和1.0MPa 时，双螺杆混输泵的输出流量分别减小了18.7%和25.7%，消耗功率分别减小了2.5%和9.3%。理论计算输出流量及理论计算消耗功率与实验测试值在含气率低于80%时吻合较好。 关键词：双螺杆泵；多相混输；实验研究

中图分类号：TH327 文献标志码：A 文章编号：0253-987X(2013)03-0000-00

Experimental Study on Pumping Behavior of Twin-Screw Multiphase Pump

YANG Xiaoqiang, XIA Yuan, JIN Lei, CAO Feng

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Abstract: For clarify effect of pressure differences and gas void fractions (GVF) on volume flow rates and power consumptions, an experimental investigation was conducted at different operating conditions based on a prototype of twin-screw multiphase pump. According the experimental results, for pumping liquid only, the flow rate decreases by 3.7% and the power consumption increases by 45.3% when the pressure difference increases from 0.4MPa to 1.0MPa. For multiphase fluid pumping, at the pressure difference 0.4MPa and 1.0MPa, with increase of gas void fractions from 20% to 90%, the flow rate decreases by 18.7% and 25.7% respectively, and the power consumption decreases by 2.5% and 9.3% respectively. The theoretical simulation results agree well with the experimental data with GVF from 0 to 80%. Keywords: twin-screw pump; multiphase flow transport; experimental analysis

传统的采油工艺是首先对油井采出物进行油气分

离，然后原油通过油泵增压后向下游输送，天然气通

过压缩机增压后输送至下游。多相混输技术是近年来

发展的一种新的采油方式，它以一台多相混输泵取代传统工艺中的油泵和压缩机，省去了分离器、压缩机、加热器等设备，并将传统输油线路中的和天然气管合并为一条，从而将采油投资成本降低为传统方式的70％[1]

。同时，采用油气混输泵可以明显降低井口回压，增加油气产量，延长油井寿命，缩小工作人员

的活动范围，节省维护和管理费用，减少对环境的污

染。尤其对水下油田、沙漠油田、卫星油田以及边际

油田，油气混输是一种更高效、经济的开采方式。

双螺杆油气多相混输泵是油气多相混输技术的核心设备，可以适应0~100%含气率的工况，作为一项近年发展起来的新技术，备受国内外石油公司、泵业厂家及研究机构的关注。Egashira 等人建立了双螺杆混输泵的回流模型，并通过实验验证了液体回流量与进出口压差、含气率、转速及介质黏度的关系[2]

。 Nakashima 等人以水、空气和碳氢化合物的混合物作为工作介质，考虑转子与衬套的周向间隙，建立了双螺

杆混输泵的热力模型[3]

。Räbiger 等人考虑到相邻腔室之间存在介质的回流，将每一个工作腔都作为进行质

量和能量交换的热力学开口系研究，建立了质量守恒

和能量守恒方程，通过从泵进口到出口的迭代计算获得泵体内压力和温度的理论分布，然后通过实验进行了周向间隙回流介质流态的可视化研究，证实了均相流的假设[4-5]

。在国内，曹锋等人对双摆线齿型的单头双螺杆混输泵型线进行了理论分析，并对双螺杆油气

多相混输泵的内部工作过程建立了数学模型[6-7]

。 目前，国内对双螺杆油气混输泵的研究主要集中

y2 西 安 交 通 大 学 学 报 第47卷

在理论探讨，相关的实验研究非常少，本文借助于国家“863计划”搭建的双螺杆油气多相混输泵实验平台，

对一种双摆线齿型[8]

的双螺杆混输泵进行了大量的实验工作，对双螺杆油气多相混输泵的实际输送特性进行了详细的研究。

1 理论分析

1.1 理论输出流量

双螺杆多相混输泵的实际输出流量等于理论输出流量减去间隙回流量。泵体内的回流间隙主要分为3类：转子齿顶与衬套的周向间隙，转子齿顶与另一转

a 、

b 、δ分别为间隙的宽度、长度、高度；R 1、R 2为两转子齿顶圆半径

(a) (b)径向间隙

1 回流模型

式中：A 的导程；n

1/1.75

1.250.750.2520.066t c c c n p Q A s δρμ⎛⎞

Δ=⎜⎟

⎝⎠

（2）

式中：c A 为周向间隙过流截面积；t n 为螺杆转子型线头数，本文中转子为单头螺杆，t n =1；c δ为周向间隙高度；p Δ为间隙前后压差，采用文献[2]中的压力分

布公式求解；

ρ为进入间隙前的介质密度；μ为介质

动力黏性系数。

齿侧间隙的回流量为

1/1.75

1.250.750.250.066t f f f f n p

Q A l δρμ⎛⎞Δ=⎜⎟⎜⎟

⎝⎠

（3）

式中：f A 为齿侧间隙过流截面积； f δ为齿侧间隙高

度；f l 为间隙长度。

径向间隙的回流量为 4）

5）

6）

7）

mp l g W W W =+

（8）

2 实验装置和方法

2.1 实验台

双螺杆多相混输泵的实验流程及实验台如图2、图3所示，测试仪器及测试精度如表1所示。

表1 测试仪器

第3期 杨小强，等：双螺杆多相混输泵输送特性的实验研究 y3

富士 横河 LWGY 型 ZS-BP 型 测试仪器 5000G11 WT500 涡轮液体 标准喷嘴

变频器 功率分析仪 流量计 气体流量计

精度/% ±0.01 ±0.1 ±0.5 ±1

本文中研究的双螺杆多相混输泵转子型线采用双摆线齿型，理论气液混输排量为50m³/h，额定转速为1465r/min，额定功率为45kW。

2.2 实验方法

文献[9]证实了用水和空气作为工作介质与用原油和天然气作为工作介质时的测试结果是相似的，故本文用空气与液体介质（水与一定量切削液的混合物，在增加液体介质黏度的同时，也能起到防锈蚀作用，可保护实验容器和管道）作为工作介质。

图3 双螺杆混输泵实验台

实验时，首先通过液体缓冲罐上的注液口向系统中注入液体，通过气液分离器上的视液镜观察液位，控制系统液体介质在合理范围内；然后，开启空压机向系统补气，使混输泵进口压力达到所研究工况下的要求值。开启混输泵，气体、液体经过各自管路上的减压阀减压后分别经过各自的压力、温度测点及流量

混合物在混合之前的压力、温度及流量分别通过上述仪器测得。气液分离器上安装有液位计和压力表，在系统运行时可以通过液位计及压力表的数值及时对混输泵的运行工况做出调整。液体缓冲罐、储气罐和补气罐上都安装有压力表，可以随时观测系统中高压侧各处的压力值。

实验时，在各组工况下系统运行稳定后，记录图1中各测点处实验数据，根据记录的数据，计算出混输泵进口状态下的介质含气率，计算公式如下

y4 西 安 交 通 大 学 学 报 第47卷

,,,,,in in

in

in in

G P G P in MIX P G P L P Q Q G Q Q Q =

=

+ （9）

式中：Q 为体积流量；下标G 、MIX 、L 、in P 分别表示气体、混合介质、液体、混输泵进口压力。

3 计算及实验结果分析

油井产出物中油气比例是不断变化的，理论上双螺杆多相混输泵必须在介质含气率从0~100%（即从纯液到纯气）范围内的任意工况下都能起到增压作用，

过30 min 工况来进行。 3.1 纯液工况

口压差，如图4性增大，通过3最大误差9.3%，从图5混输泵的消耗功率是不断增加的。这是因为在纯液工况下，双螺杆混输泵的输送特性与水泵的近似，消耗 功率正比于流量与压差的乘积，虽然流量有所减小，但是压差增大对消耗功率的影响更显著，导致最终消耗功率随着压差的增大不断增大。从图5还可以看出，理论计算的消耗功率与实验测试值吻合比较好，二者在0.6MPa 的进出口压差时误差最大，为14.3%，验证了理率的合理性。

输出流量/m 3·h -1

进出口压差/MPa

图4 双螺杆混输泵输出流量与进出口压差的关系

压差不变时，双螺杆混输泵的输出流量随含气率的增加不断减小。这是因为含气率较低时，径向间隙、齿侧间隙及周向间隙中都被液体介质密封，所以从高压侧向低压侧的泄漏只有部分液体；随着含气率增加，工作腔内的液体量减少，少量的液体受离心力作用集中围绕在转子齿顶附近，只能满足对齿顶周向间隙的密封，径向间隙和齿侧间隙的密封没有足够的液体来保证，气体开始进入径向和齿侧间隙，泄漏量开始增

第3期 杨小强，等：双螺杆多相混输泵输送特性的实验研究 y5

输出流量/m 3·h -1

图图7误差为大，为从图显。由图进口含气率/%

图9 计算消耗功率与实验测试值的对比

在双螺杆混输泵进出口压差达到1.0MPa、含气率大于85%时，各测点上的实验数据波动明显增大，如图8中星状点所示。这是因为气体的量达到一定程度时，混合器内气液介质无法混合均匀，导致进口管道内出现段塞流。当液体段进入混输泵内时，出口压力、混输泵消耗功率等参数出现峰值；当气体段进入混输泵内时，介质可压缩性变大，出口压力、混输泵消耗功率出现谷值。当含气率大于95%时，大量气体流向双螺杆混输泵进口，造成混输泵进口压力升高，当升高至某一压力时，在泵进口造成气塞，使压力相对较低的液体无法进入泵内，使混输泵出现干转。

在混输工况下，输送介质中含有可压缩气体，所以在给介质增压时，会产生压缩热。含气率低于80%时，压缩热及机械摩擦热可以及时被液体介质吸收带走，混输泵出口介质温升缓慢，长时间运行进出口温差保持在5℃内；含气率大于90%时，大量的压缩热不能及时被少量的液体介质带走，出口介质温升非常明显，介质进出口温差运行30 min后可达20℃。

4 结 论

（1）纯液工况时，在额定转速下，当进出口压差从0.6MPa增大到1.0MPa时，双螺杆多相混输泵输出流量降低了3.7%，消耗功率增加了45.3%。理论回流模型与实验值吻合良好。

（2）混输工况时，在额定转速、0.4MPa的进出口压差下，当含气率从20%增加到90%时，输出流量和消耗功率分别降低18.7%和2.5%，在1.0MPa的进出口压差下，当含气率从20%增加到90%时，输出流量和消耗功率分别降低25.7%和9.3%。在含气率低于80%时，理论回流模型能较好的吻合实验测试值。

（3）当进出口压差增加到 1.0MPa、含气率大于85%时，混输泵出口压力读数及功率计读数出现波动；含气率大于90%时，

运行30 min后出口介质温度由27℃升高到47℃；继续增大气体流量使含气率增加到95%时，液体流量很快减小到0，出现混输泵干转；含气率达到100%时，泵体及泵出口介质温升更加明显。实验过程中，在含气率为100%的工况下，由于运行时间超过30 min出现过2次机械密封失效的故障。

参考文献：

[1]PORTO D, LARSON L A. Multiphase pump field trials

demonstrate practical applications for the technology[C]//

SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Denver,

Colorado, USA: Society of Petroleum Engineers, 1996:181-192.

[2]EGASHIRA K, SHINJI S, TOCHIKAWA T, et al.

Backflow in twin screw-type multiphase pump[C]//SPE

Annual Technical Conference and Exhibition. Denver,

Colorado, USA: Society of Petroleum Engineers, 1996:

221-230.

[3]NAKASHIMA C Y，OLIVEIRA S De. Thermo-hydraulic

model of a twin-screw multiphase pump[C]//ASME

International Mechanical Engineering Congress and Exposition. New York, USA: ASME, 2004: 251-260.

[4]RÄBIGER K, MAKSOUD T M A, WARD J, et al.

Investigation of the fluid dynamic and thermodynamic

behaciour of multiphse screw pump handling liquid/gas

mixtures with very high gas volume fractions[C]//The 13th

International Conference on Multiphase Production Technology. New York, USA: ASME, 2007:91-104.

[5]RÄBIGER K, WARD J, HAUSMANN G, et al. Theoretical

and experimental analysis of a multiphase screw pump,

handling gas-liquid mixtures with very high gas volume

fractions[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2008,

32 (8):1694-1701.

[6]曹锋，邢子文，张小军，等．双螺杆混输泵压力建立过

程的数值模拟及实验研究[J]．西安交通大学学报，2001，

35 (5)：497-501．

CAO Feng, XING Ziwen, ZHANG Xiaojun, et al.

Theoretical and experimental investigation of pressure

generation within twin-screw pump for multiphase

transport[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2001,

35(5):497-501.

[7]CAO F, PENG X Y, XING Z W, et al. Thermodynamic

performance simulation of a twin-screw multiphase

pump[J]. Journal of Process Mechanical Engineering, 2001,

215(2):157-163.

[8]CAO F, GAO T Y, XING Z W. Study of the screw rotor

with different stocks and leads for twin screw multiphase

pump[J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 2009,

223(11):2637-25.

[9]DOLAN P J, GOODRIDGE R A, LEGGATE J S.

Development of a twin-screw pump for multiphase

duties[C]//SPE European Petroleum Conference. Denver,

Colorado, USA: Society of Petroleum Engineers, 1986:293-298.

（编辑荆树蓉）