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深井泵泵內流場的實驗研究

2019-11-12 04:07   评论:98 点击:107
研究泵內流場特別是混相流流場是改善深井泵性能的關鍵。隨著PIV技術、LDV技術及超聲波技術的日趨成熟,人們已可以利用這些先進的流場測試技術在不幹擾流場的情況下進行高精度的丈量。在加拿大已有人使用這些先進技術研究深井泵流場,石油大學(北京)海洋力學試驗室針對該題目利用PIV(粒子成像測速技術)進行了試驗研究 ,其首要內容是測定不同流量時泵內流場的分布規律,並對比單相及混相流時深井泵內流場的異同。

1 粒子成像測速及圖像處理技術

粒子成像測速(PIV)技術的基本道理①是利用撒在流體中的粒子對光的散射感化,用光學的方法記錄下粒子在不同時刻在流場中的位置,從而得到粒子的位移,基於粒子對流場的跟隨性,測出粒子所在位置上流體的速度及瞬時活動參數。

應用PIV技術 ,對流場中浩繁的粒子情況可以按時間順序通過多次曝光記錄在同一圖像上,也可以通過高速攝影機記錄在不同的圖形上。利用有關的物理學及力學的假設和定律,並根據相應的數學模型,通過一係列數字運算即可得出反映流場特性的參數(粒子位移、速度等)。通常 ,PIV係統首要由照明係統、PIV圖像記錄存儲係統和 PIV處理係統構成。

2 小型氣液兩相深井泵模擬試驗裝配

深井泵在井下工作,其工作介質也不是單相的,故很難對現場工作的深井泵的流場進行實際測試。另外,由於各油田油井地層條件很複雜,難以找到一般性的規律,是以,在實驗室裏建立了一套小型氣液兩相深井泵模擬試驗裝配,如圖1所示。

該模擬試驗裝配首要由液壓控製係統及氣動控製係統構成。為了進行可視化研究,深井泵模型泵筒及柱塞均采用有機玻璃製造,其泵徑為57 mm,柱塞長度為0.3 m,可模擬衝程為0~0.6 m,衝次為0~6次/s,內壓為0.7 MPa的工況條件。

3 試驗過程

采用與原油密度及粘度相近的產業白油作為試驗介質,用與白油密度接近的GDX501聚苯乙烯小球作為示蹤粒子。使用10 W的氖激光發生器及相應的光路係統釀成的強片光源作為PIV攝像的照明光源,並采用錄像或拍照的方法攝製PIV圖像。針對不同的工況,分別對單相和氣液兩相流介質條件下深井泵泵筒、泵閥、柱塞等部位進行了PIV 圖像的錄製和拍照 ,以備進一步進行分析處理 。

4 實驗結果及分析

由於對深井泵固定閥部位流場的研究已有相應的研究成果,而且氣液兩相流PIV圖像處理程序不完善,故這裏側重於分析活動介質為單相流體時深井泵遊動閥及柱塞部位的流場。

4.1 深井泵泵閥活動規律

在試驗中發現,深井泵泵閥的活動規律和以住人們對它的熟悉不完全相同,它的活動除了有垂直方向的直線活動,還伴隨有兩種旋轉活動 。當柱塞活動速度較小時,閥球繞水平軸上下旋轉;當柱塞活動速度較大時,閥球繞豎直軸水平自轉並且沿閥座內孔邊角即閥座孔圓心軸公轉。其旋轉角速度與柱塞的活動速度有關,柱塞活動速度越大,閥球旋轉角速度就越大。閥球的特殊活動形式首要與閥球、閥座結構的特殊性及流體的衝擊有關。深井泵泵閥是一個球形閥件,當流體繞過它活動時,在其後部將發生附麵層的脫離現象,同時產生一個橫向激動力。由於閥球的對稱性,這類橫向激動力將沿閥球的“赤道”四周循環往複地移動,使閥球不是始終位於閥座孔軸心線上 ,而是偏離一個間隔且緊靠在閥座邊角上旋轉,這就是“公轉”現象。

另外 ,由於流體活動的不穩定和閥球的偏離造成流體相對閥球活動的不對稱性,對閥球將產生一定的撓動,使這個橫向力不是感化於球心 ,而是在水平麵上又有一定的偏心,使閥球在水平麵上還有一個轉動,即“自轉”現象。以上結論是在純液體情況下得到的。在氣液混相流時,由於氣泡的存在,流場擾動更加劇烈,而且氣泡對閥球具有一定的衝擊感化,此時閥球活動就更加複雜,除了旋轉活動以外,還有上下劇烈的跳動。

4.2 單相流遊動閥球的PIV圖像處理結果

從深井泵遊動閥部位的流場速度矢量可以看出,遊動閥球四周的流場不是對稱分布的,其左邊閥隙的邊界層延續到近閥球頂部才脫落。這說明固定閥隙兩邊的流體對閥球的感化力是不平衡的,從而使得閥球產生旋轉活動。隨著衝次的增加,流體流速的進步,閥球邊界層更早發生脫離 ,而且閥球四周流場不對稱性仍然存在,所以閥球的偏心更加強烈,這和試驗過程中所觀察到的閥球活動規律是一致的 。

可以看出 ,由於流體對閥球的橫向衝擊力造成閥球偏離軸心,再加上其“自轉”的影響,使得閥球在開啟和封閉的時候都有一定的滯後時間,從而使泵的抽汲效率降低,造成泵衝程損失。另外 ,由於閥座外形的非流線型,使得吸進阻力增大,也使閥球的滯後時間增加,並使閥球的擾動加大。這類閥球的飄移與擾動與閥球及閥座的外形有很大的關係,為使閥球盡量接近於理想狀況下的上下垂直活動,並且為了減少閥隙的過流阻力,可以改進閥罩和閥座的設計,使閥罩限製閥球的跳動高度。在保證最大過流麵積的同時盡量使閥球隻做上下垂直活動 ,並將閥罩及閥座外形設計成流線型,以此來減小過流阻力。這些改進可以減小閥球的擾動及縮短開啟和封閉的滯後時間,從而達到進步泵效的目的。

另外,由該部位流場旋度可以看出,在遊動閥吸進口柱塞底端與泵筒間有很明顯的兩個渦旋存在。這是由於柱塞進行下衝程活動時,由於柱塞底端有一定的麵積,從而在向下活動過程中壓迫其底部的液體向下活動。而此時遊動閥球處於開啟狀況,遊動閥球下真個液體被壓進遊動閥隙 ,並進進柱塞內腔,在柱塞底端部位造成液體回流,從而形成渦旋。這兩個渦旋大大增加了液體的過流阻力,同時也增加了遊動閥球的擾動程度。為了消除渦旋並減小過流阻力,可將柱塞底部截麵積盡量縮小,並使其外形呈喇叭口型,從而減小過流阻力。

4.3 單相流柱塞出口處的PIV圖像處理結果

單相流感化下柱塞頂端出口處流場速度矢量圖 。從圖中可以看出,柱塞頂端出口處呈現以下的流場特征:柱塞內部管流呈對稱活動狀況,而且流線分布較均勻。這說明柱塞內部管流穩定,大致呈層流活動狀況,這一點從柱塞出口處流場旋度中可以更清楚地看到。但在柱塞出口處,由於過流截麵減小和截麵外形的變化,使得流體在柱塞出口處產生水平速度分量,特別是在拐角處出現了渦旋,從而產生負壓,增大了過流阻力。隨著衝次的增加,柱塞出口拐角處的渦旋也不斷加強,出口處過流阻力也相應加大。為了減少渦旋的產生,從該部位分析可知,若柱塞出口拐角處設計成流線型或在該部位製造倒角應會最大限度地減小渦旋,從而降低該部位的過流阻力。

5 建 議

對深井泵應做以下改進:

(1) 閥球是深井泵中的一個首要部件,也是易損件,它決定著泵的效率及檢泵周期。建議對混相流深井泵采用偏心球形閥球,對於流道狹小的深井泵采用滴形閥球,對含砂的抽油井用深井泵則采用鑲有密封膠皮的錐形閥球。

(2) 在保證最大過流麵積的條件下,對於閥球罩的過流斷麵外形,應當盡量采用流線型,以減小過流阻力。

(3) 在設計柱塞的結構時,應當考慮將柱塞下真個吸進口設計成流線型或喇叭口型 ,以降低其吸進阻力。在保證柱塞出口有最大過流斷麵的同時,將柱塞出口流道也設計成流線型,以降低柱塞出口處的過流阻力。

作者單位:林 盛 方華燦 石油大學機電工程係,北京102200

作者簡介:林盛(1971—),男,1996年在石油大學(北京)獲碩士學位,目前正在中國科學院力學研究所攻讀博士學位。①董守平.粒子成像測速(PIV)及其圖像處理技術.石油大學(北京)機電工程係內部資料.

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