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汽液兩相流液壓抽油泵模拟試驗裝置設計

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汽液兩相流液壓抽油泵模拟試驗裝置設計

發布日期:2016-04-13 00:00 來源:http://www.mssx0560.com 點擊:

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研究泵内流場尤其是混相流流場,是改善抽油泵性能的關鍵所在。石油大學(北京)為此研制了一套氣液兩相流液壓抽油泵模拟試驗裝置。這種裝置由單相流試驗裝置和混相流試驗裝置構成,前者能比較真實地模拟井下的各種工況和抽油泵内液體的流動狀态,後者可模拟不同的油氣比。為了在不幹擾流場的條件下定量完成流場的瞬态測量,給出平面流場的速度矢量圖和旋度場等揭示流場瞬态流動結構的圖像處理結果,采用了具有測量精度高、空間分辨率強和動态響應快等特點的粒子成像測速(PIV)先進技術。
    抽油泵是油田開發過程中的主要設備之一,改善抽油泵的性能可有效地提高油田的原油産量,從而提高油田開發的經濟效益。目前對抽油泵的研制工作大緻可分為以下三個方面。
    (1)基于力學分析,通過對運動條件和受力條件的簡化,對泵閥開啟和下落過程進行力學描述;
    (2)根據生産需要以功能設計為原則,在原抽油泵結構基礎上進行技術改造,如防砂卡泵和防氣抽稠油泵的開發;
    (3)以研究抽油泵效率及其影響因素為目的進行實驗室内的有關測試和觀察研究。
    如大慶石油學院進行的抽油泵能耗測試研究,采用壓力傳感器和位移傳感器測量抽油泵進出口壓力曆程曲線、閥球壓差變化曲線以及示功圖、漏失量等。
    目前,對改善泵性能的最根本的問題——泵内流場還無人涉及。關于泵閥運動規律、泵内結構的合理性論證及其改進等問題解決的關鍵因素是泵内的流場狀态,所以研究泵内流場尤其是混相流流場是改善抽油泵性能的關鍵所在。随着PIV(粒子成像測速)技術、LDV(激光多普勒液流速度計)技術及超聲波技術的日趨成熟,人們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達到測定的高精度,在加拿大已有使用這些先進技術研究抽油泵流場的實例,但未見有關成果的發表。因此,利用PIV等先進技術對抽油泵内流場進行研究以改進抽油泵的結構是今後發展的大方向。鑒于此,石油大學(北京)海洋工程研究室開展了抽油泵内流場可視化研究,由于這方面尚無先例可循,計劃先從試驗着手,理論與實踐并舉。
    抽油泵模拟試驗裝置設計思路
    抽油泵在井下的工作介質不是單相的,故對現場工作的抽油泵泵腔内流場的實際測試比較困難。為了節省時間和資金,又能測試一般情況下抽油泵泵腔内流場狀況,必須使抽油泵模拟試驗裝置具有氣源和液源,以及可視化研究條件,而且流量可調,還應能對單一液相和氣液兩相時泵内流場的特點進行可視化觀察和記錄,因此整個泵腔應是透明的。另外,由于流場變動特性較強,應有相應的數據采集和處理系統。為觀察泵沖次對流場的影響,抽油杆動力驅動系統應可調。
    模拟試驗裝置結構設計
    為模拟現場抽油泵的柱塞及光杆的上下往複運動,必須選擇合适的動力系統。一種方案是縮小現場抽油泵的地面動力系統,即采取電動機帶動的驢頭驅動方式。這種方案的缺點是造價昂貴,占地面積大,不适合于實驗室用。另一種方案是直接用電動機帶動繩索通過滑輪使光杆及柱塞上下運動,但為保證系統平衡需配置平衡重,另外換向微電動機的選擇也有困難。以上兩種方案都無法模拟泵内進出口壓力,也不能調節泵流量。為解決以上問題,筆者采用液壓控制系統及氣動控制系統來實現動力系統的模拟。液壓控制系統主要是實現柱塞的上下往複運動和控制進出口壓力,氣動控制系統則控制混相流時的進氣。同時,液壓控制系統又分為兩大部分:第一大部分是動力油缸液壓系統,它是主要的動力源;第二大部分是抽油泵壓力補償系統,主要是用來控制抽油泵進出口壓力并為泵供油。下面分别就這三個部分加以介紹。
    1.動力油缸液壓系統
    動力油缸液壓系統主要由動力油缸、行程開關、二位四通電磁換向閥、溢流閥、油泵和調速閥構成,流程如圖1所示。
技術一
1—動力油缸;2—二位四通電磁換向閥;3—調速閥;4—溢流閥;5—油泵;6、7—行程開關
    工作原理:當動力油泵向動力油缸上端供油時,驅動活塞向下運動,從而帶動光杆向下運動,當光杆觸動行程開關6時,二位四通電磁換向閥換向,動力油泵開始向動力油缸下端供油,驅動活塞向上運動,從而帶動光杆向上運動;當光杆觸動行程開關7時,二位四通電磁換向閥再次換向,重新開始下一個沖程。調速閥可以調節活塞運動速度,從而來改變沖次,溢流閥則可調節動力油缸内的壓力,改變柱塞驅動力。
    2.抽油泵壓力補償系統
    抽油泵壓力補償系統主要由油箱、油泵、順序閥、蓄能器、抽油泵、壓力表、壓力油箱和溢流閥組成,流程如圖2所示。
技術二
1—油箱;2—油泵;3—順序閥;4—蓄能器;5—抽油泵;6—壓力表;7—壓力油箱;8—蓄能器;9—溢流閥
    工作原理:油泵始終處于工作狀态,溢流閥則調節到一定壓力,當抽油泵進出口壓力超過調節壓力時,溢流閥溢流,進口壓力降低;當進口壓力過低時,油泵向壓力油箱注油,從而使進口壓力上升至調節壓力。兩個蓄能器的作用是避免抽油泵進出口壓力的劇烈波動,保證抽油泵的進出口壓力達到工況要求。
    3.氣動控制系統
    氣動控制系統由氣泵、氣體流量計、電磁開關、單向閥和行程開關組成,流程如圖3所示。
技術三
1—氣泵;2—氣體流量計;3—電磁開關;4—單向閥;5—抽油泵;6—行程開關
    工作原理:當抽油泵做上沖程運動時,電磁開關打開,氣體通過單向閥進入抽油泵,當光杆接觸到上行程開關時,電磁開關關閉,氣路不通,這時抽油泵做下沖程運動。當光杆再次接觸下行程開關時,電磁開關打開,氣路開通,再次向抽油泵内供氣。
    模拟試驗裝置的特點
    模拟試驗裝置分為兩大部分:第一大部分是單相流試驗裝置,主要由動力油缸、有機玻璃泵筒及柱塞、液壓控制系統組成,是抽油泵模拟試驗裝置的核心部分,其最突出的特點在于利用液壓控制系統帶動柱塞做上下往複運動,具有行程穩定、換向迅速、模拟井下工況完備等特點,能比較真實地模拟井下的各種工況及抽油泵内液體的流動狀态。第二大部分是混相流試驗裝置,主要由氣泵、氣體流量計、電磁開關及水箱組成。這套混相流裝置的特點在于簡單易行,功能相對完善,可以模拟不同的油氣比,而且進氣完全由行程開關帶動的電磁開關控制,能夠比較真實地模拟井下的各種工況。另外,為便于觀察和測試,柱塞和泵筒用有機玻璃制成,從而達到了利用本試驗裝置觀察、測試泵内流場的目的。試驗裝置是經過不同方案的優化論證最終選定的,結構輕巧,功能完備,控制系統簡單可靠,操作方便,能夠很好地模拟抽油泵的運行及泵内的各種工況。這套試驗裝置是具有創新特點的模拟抽油泵試驗裝置,與國内外同類模拟裝置相比,無論在造價上還是綜合性能上都有其獨特之處。
    圖象采集及處理系統
    為了在不幹擾流場的情況下,能定量完成流場的瞬态測量,并能給出平面流場的速度矢量圖、旋度場等揭示流場瞬态流動結構的圖象處理結果,采用了粒子成像測速(PIV)技術。粒子成像測速技術具有測量精度高、空間分辨率高和動态響應快等特點,是目前測量複雜流場較先進的技術。它可以凍結某一時刻的流場流動狀态,從而揭示出隐藏的湍流流動結構。測量結果具有足夠的精度,可以從一個矢量中減去大的平均速度,因而可以分别給出平均速度、脈動速度、漩渦等全面反映流場狀況的流動參數,這是熱線熱膜法以及LDV等測試技術所不具備的。
    PIV圖象采集及處理系統配置如圖4所示。
技術四
    從總體上看,一個完整的PIV系統可分為三大部分:一是照明系統,它的功能是産生光源;二是記錄系統,它的功能是産生粒子流動的雙(多)曝光圖象;三是查詢系統,它的功能是提取和顯示圖象中的速度場等流動參數。
    模拟試驗裝置中照明系統采用10W的氖激光器,記錄系統采用錄像機,查詢系統采用石油大學(北京)開發的PIV圖象處理軟件。

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