石油工程——毕业论文_螺杆泵合理转速研究(编辑修改稿)

石油工程——毕业论文_螺杆泵合理转速研究(编辑修改稿)内容摘要：

[17,18]。 泵在井下工作时，若工作点落在 合理工作区 外 的右侧，泵的容积效率很低，甚至抽不出油，失去了螺杆泵高效节能的优势。 这种现象在现场使用时有发生。 另一种情况是，泵的工作点落在 合理工作区 外 的左侧，这时虽然容积效率几乎为 100%，但润油不充分，机械效率非常低，摩擦损失很大， 系统 效率也较低，而且易于使泵过早失效。 通过调研大量研究 资料 并经过综合考虑后，我们认为，合理工作区内的左侧区域，即 B 点（理论上系统效率最高点）和 A 点分别对应 2P 、 1P 之间的区域为螺杆泵的最佳工作区域。 泵在这一区域工作不但效率高，而且寿命长。 附录一中给出了现场 中常用的 2 种泵型（ KGLB50020 和 GLB80018）在不同转速下的工作特性曲线及其合理 /最佳工作区，如附录一中图 1～ 图 11 所示。 西安石油大学 高等继续教育 毕业设计 （论文） 12 图 25 螺杆泵最佳 /合理工作区示意图 100% 60% 0 p1p 2p 3pABC 西安石油大学 高等继续教育 毕业设计 （论文） 13 第 3 章 螺杆泵泵效和系统效率影响因素分析 砂粒的影响 砂粒的影响包括砂粒的尺寸含量硬度和速度。 较大的砂粒，不易通过螺杆泵内的密封线，常常嵌入定子的表面，泵运转时磨损转子；高含量的粉细砂以高速度冲击转子和定子，在螺杆泵转子的谷顶磨出较深的沟槽。 油井的含沙量对螺杆泵的使 用寿命有较大的影响。 螺杆泵的摩损于进入到螺杆泵内与转子定子接触砂粒的数量成正比关系。 即：在不考虑机械方面的因素时，油井含砂量越大，螺杆泵寿命越短。 砂粒的硬度高于转子表面的硬度时，会将转子表面的硬质涂层划伤，从而损坏定子，通常砂粒硬度的增加会加剧螺杆泵的磨损。 而且若转子表面硬质镀层脱落，特别是在酸性油井中，将加剧螺杆泵的腐蚀。 螺杆泵内砂粒的速度对螺杆泵的影响分为两个方面：可以预测的螺杆泵内部流速和不可以预测的砂粒的速度引起的螺杆泵内流体在空腔与空腔之间的相对滑动。 定子与转子间配合间隙对螺杆泵效率的影 响 结构参数的误差 螺杆泵结构参数是指偏心距 e、转子直径 D 和导程 T。 合理选择这些参数能够使螺杆泵定子与转子具有合适的配合间隙，从而确保螺杆泵具有较好的举升性能。 螺杆泵定子与转子之间的运动是啮合运动，为了不发生干涉现象，实现高效可靠运行，在螺杆泵的加工过程中，必须保证定子与转子具有较高的型线精度、尺寸精度和表面质量 [19]。 （ 1） 偏心距 e 的误差 当实际偏心距小于设计偏心距 e 时，定子与转子之间会出现间隙，相邻两个腔室连通，使某一级失去举升能力；相反，当实际偏心距大于设计偏心距 e 值，会使定子与转子之间的过盈量很大，甚至会使啮合运动发生干涉。 因此，偏心距的误差值应控制在定子与转子的合理过盈量之内。 （ 2） 转子直径 D 的误差 转子直径 D 如 果过小，表现为定子与转子之间出现空隙，定子与转子不接触，相邻腔室及相邻两级连通，失去举升能力。 对于举升低粘度（小于 100 mPas）介质的螺杆泵，我们一般要求转子直径稍大，即实现过盈配合。 西安石油大学 高等继续教育 毕业设计 （论文） 14 转子截面的圆度误差反映为截圆直径的不均匀性，具体表现为定子与转子间在运转的不同时刻，过盈量有所不同。 如果圆度误差较大，转子的某个部位因为直径较小，实现不了过盈配合，那么在运转的某一时刻某一啮合点会出现间隙，降低举升能力；同时，过盈量的不均匀也会导致定子不同部位橡胶的磨损程度不同而降低螺杆泵的寿命，所以转子截圆圆度是转子 型线精度的主要指标，应尽量提高转子的截圆圆度。 转子截圆的不圆度（最大直径与最小直径之差）应不大于定子与转子之间的合理过盈量。 （ 3） 导程 T 的误差 导程误差会使定子与转子的啮合位置发生变化，即发生干涉；同时，定子与转子的配合也发生变化，即一边过盈增加，一边出现间隙。 导程误差偏大时，即使由于定子橡胶的软特性使其啮合运动发生干涉也能运转，但要损失很多级的举升能力，要达到举升只有靠过盈，但是摩擦扭矩会大大增加，直接导致螺杆泵的效率很低。 导程的误差对螺杆泵的每一级以及 整体而言，可用式（ 31）来限定。 arcsin2π 2TL e (31) 式中 L ——导程的误差 T ——导程  ——过盈量 e ——偏心距 过盈量的影响 螺杆泵的工作原理决定了要保证一定的泵效，就必须使定子、转子表面的接触线保持充分密封，而密封的程度取决于转子与定子之间 的过盈量。 因此，过盈量的大小直接影响螺杆泵泵效的高低。 图 31 过盈量对容积效率的影响 西安石油大学 高等继续教育 毕业设计 （论文） 15 图 31 曲线由上到下分别为过盈量为 、 和。 曲线表明不同过盈量下的容积效率的差别很大，因而将严重影响泵的系统效率。 一方面，过盈量可获较高的泵效，但是抽油杆的扭矩增加，易出现油管、抽油杆断脱现象，并且定子橡胶磨损加剧，影响泵的寿命；另一方面，过盈量小虽然不宜出现上述问题，但泵的容积效率过低，将降低螺杆泵的系统效率。 因此，要对过盈量进行合理地选择。 所谓合理的过盈量，就是 在能够保证一定的举升压力和容积效率的条件下的过盈量值。 螺杆泵在结构上是由刚性转子（一般由各种钢材、陶瓷等材料制成）与弹性定子（一般由工业橡胶或塑料等材料制成）相对运动时形成密闭容腔；其工作原理为转子绕着距定子中心一定偏心值（ e 值）进行类似的行星运动，在此过程中所形成闭合容腔作轴向移动，从而带动介质从入口处输送到出口处。 螺杆泵定子与转子之间的运动是啮合运动，定子与转子之间的间隙过大，会使螺杆泵相邻两级连通，即某一级失去举升能力；相反，间隙过小或者过盈量过大 ,会使 啮合运动发生干涉。 螺杆泵定子与转子之间的过盈值直接影响螺杆泵的工作扭矩、单级工作压差和输送介质的漏失量。 过盈值越大，螺杆泵的工作扭矩也越大，介质漏失量降低，单级工作压差就越高；过盈值越小，螺杆泵的工作扭矩越小，单级工作压差也越低，螺杆泵的扬程越低。 螺杆泵在井下工作时的总过盈值主要包括 ——螺杆泵给定的初始过盈值、由热膨胀和原油溶胀造成的过盈值。 表 31 给出了不同螺杆泵泵型定子与转子间初始过盈值的推荐值。 表 31 不同泵型的初始过盈值 泵型 初始过盈值 (mm) 泵型 初始过盈值 (mm) GLB4042 ~ GLB28020 ~ GLB7540 ~ GLB50014 ~ GLB12027 ~ GLB80014 ~ GLB20033 ~ GLB120014 ~ 定子橡胶的溶胀、温胀及磨损 螺杆泵工作在油井中，高压、运转疲劳、摩擦，流体中含气，特别是流体中含二氧化碳、硫化氢气体等对定子橡胶都有影响 [20]。 西安石油大学 高等继续教育 毕业设计 （论文） 16 （ 1） 定子橡胶的溶胀 定子橡胶的溶胀 会使螺杆泵定子与转子之间的间隙变小，过盈量增大，干涉定子与转子之间的啮合运动，摩擦扭矩增大，使泵效降低，还会大大降低螺杆泵的使用寿命；另一方面，定子橡胶的溶胀，占据了空腔体积，使实际储存油液的空腔体积变小，导致螺杆泵的容积效率降低 [21]。 下面我们分析一下定子橡胶溶胀导致的螺杆泵的容积效率损失。 如图 32 所示，为定子橡胶溶胀后的螺杆泵定子横截面。 图 32 定子横截面图 定子橡胶溶胀面积 S 及溶胀率 W 计算公式为 282π πS E r     (32) 22282 π π 100%π 8 πErW R E r r   (33) 式中 S ——定子橡胶溶胀面积 W ——定子橡胶溶胀率 E ——定子偏心距 T ——定子导程 r ——转子半径 R ——定子内径  ——溶胀厚 度。 根据螺杆泵的工作原理，定子在一个导程内与转子形成一个完整的封闭腔室，溶胀前设计空腔 溶胀后实际空腔 西安石油大学 高等继续教育 毕业设计 （论文） 17 其体积 V 为  28 πV Er r T (34) 橡胶溶胀体积 39。 V 为  282 π πV E r T      (35) 则螺杆泵的容积效率损失量 η′为 2282 π π 100%8 πErE r r     (36) 因此，应该选用合适的橡胶，提高螺杆泵定子橡胶的耐油气性能，减小螺杆泵定子橡胶的溶胀量 [22]；根据油井的供液能力合理选择螺杆泵泵型，使螺杆泵 在合理的压差下工作，以减小螺杆泵的容积效率损失，达到提高螺杆泵举升性能的目的；在橡胶溶胀率一定的条件下，尽可能地减少螺杆泵定子注胶时的橡胶用量，以减小橡胶溶胀量，提高螺杆泵的容积效率 [23]，进而提高螺杆泵的举升性能。 （ 2） 定子橡胶的温胀及磨损 在螺杆泵的工作过程中，螺杆泵的定子与转子之间存在多个紧密接触的密封界面，随着螺杆泵工作压力的增高，定子橡胶会撑开，密封界面处间隙增大，使螺杆泵的回流量（内泄）增大；当螺杆泵在额定工作压力以下工作时，定子与转子接触得很紧密，使转子在旋转时摩擦力很大，导致定子与转子的 密封界面产生大量的摩擦热，并积聚在泵腔内部，使定子与转子表面急剧升温。 高温的地下油液以及摩擦热的生成，使螺杆泵内过流部件长期处于较高温度下工作，定子橡胶受热后产生变形和膨胀，进而加剧了定子和转子密封界面处的摩擦热的生成，这种恶性循环的发展，必然加速定子内表面橡胶的老化和磨损，降低螺杆泵的使用寿命。 在这种情况下，如果采用硬质定子，并保证定子与转子之间有一较小间隙存在，摩擦热将不再产生。 当然，在设计螺杆泵定子与转子之间的间隙时，必须保证螺杆泵在额定压力和转速下工作时的回流量在规定的设计指标以下；而硬质定子材料 的选择，必须综合考虑材料的热膨胀、摩擦系数、耐磨性及与输送介质的相容性。 实践证明，这种设计既可保证间隙的存在，又可保证螺杆泵的自吸和输送能力 [24][25]。 西安石油大学 高等继续教育 毕业设计 （论文） 18 温度的影响 温度的影响对螺杆泵有好的一面，也有坏的一面，不利的因素占的比例大。 温度高，使油流特性变好，结蜡减缓，粘度降低，油流沿程损失降低，使螺杆泵的举升压头降低。 但是温度增高，会使定子橡胶发生温胀加快损坏，降低螺杆泵的举升性能，减少了螺杆泵的使用寿命，温度越高，定子与转子之间的摩擦力增加量越大，也使得螺杆泵的系统工况变差。 螺杆泵工作时，受 环境温度的变化因素主要有下面几个方面： （ 1） 地层。 螺杆泵下入深度越深，即下泵深度越大，环境温度越高； （ 2） 螺杆泵举升流体与橡胶摩擦产生大量的热量。 流体与定子橡胶摩擦产生的热量，会使螺杆泵的定子橡胶急剧升温，升温的幅度与螺杆泵抽汲油量、流体的粘度、摩擦力的大小、举升压差等多方面的因素有关。 （ 3） 油井作业时，也会使螺杆泵的温度发生变化。 如注蒸汽，可使螺杆泵定子橡胶的温度大幅度升高；如注水、泥浆等都会使螺杆泵的温度下降。 总之，螺杆泵的定子橡胶温度受综合因素的影响。 螺杆泵不工作时，允许的温度偏高，螺杆泵在工 作的过程中不允许存在超过定子橡胶的许用温度。 下泵后，螺杆泵定子橡胶的温度变化是一个重要的因素，不容忽视。 转速的影响 从 螺杆泵工作特性 曲线 可以 看出， 如图 24 所示 ， 螺杆泵的系统效率随着举升高度的增加而升高，当系统效率达到最大时，再增加举升高度，泵的容积效率和系统效率呈现出迅速 下降 的 趋势。 为此，为保持较高的系统效率，下泵深度应维持在合理范围。 对于新井、电转螺井或抽转螺井而言，投产前合理的下泵深度设计尤为重要。 另一方面，对于已经处在生产状态中的螺杆泵井来说，在螺杆泵结构参数（包括导程、转子直径、偏心距 、过盈量）、定子橡胶确定的条件下，以及生产过程中井下条件、生产设备基本一定的条件下，螺杆泵工作参数的调整，即转速的调整就成为影响螺杆泵容积效率和系统效率的最主要因素。 螺杆泵转子的转速大小直接影响螺杆泵的举升效率和螺杆泵的寿命。 螺杆泵的转速过低，将会发生卡泵现象；反过来，转速过高，会使螺杆泵抽空。 由螺杆泵理论排量计算公式 （ 21） 可知，在螺杆泵结构参数 e ， D ， T 确定下来后，排量。