专利名称：一种旋转动力式多相增压泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多相泵，特别是关于一种旋转动力式多相增压泵。
技术背景80年代末，随着石油工业从陆上转向自然环境相对恶劣的海洋和沙漠，油气 田开发也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气田的开发， 以多相增压泵为核心的远距离输送未经处理的油气水多相井流的混输技术，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，通过泵和压縮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。究其根本原因，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縮 机性能的能够实现气液多相增压的多相泵。国内研制开发的多相泵基本上是容积式多相泵，以双螺杆式多相泵为例，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，与叶片式结构相比其尺寸和重 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 同性质的流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。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，当进口气体体积含量达到50%时，螺旋轴流泵的最佳效率只有约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。 发明内容针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有多相输送能力的旋转动力式多 相增压泵。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种旋转动力式多相增压泵， 它包括一动力装置，所述动力装置输出端通过泵轴连接一泵体，所述泵体外围设 置有泵壳，所述泵体包括组成吸入结构的吸入单元和均化单元、组成增压结构的 增压单元、组成扩压结构的扩压单元；所述均化单元包括一缓冲罐，所述缓冲罐 固定在所述泵壳上，所述缓冲罐上、下端均留有开口，在所述缓冲罐的中央设置 一中空多孔分离管，所述中空多孔分离管上端穿出所述缓冲罐的上开口与多相流 的输入设备相连，所述中空多孔分离管下端固定到所述吸入单元上，所述中空多 孔分离管上的多孔为开设在管壁上的若干通孔；所述吸入单元设置在所述均化单 元的末端，包括一固定连接在所述泵轴上的导流锥，所述导流锥与所述缓冲罐下 开口之间留有空隙，所述导流锥的外缘上设置有多个螺旋叶片式均化叶片；所述 增压单元设置在所述吸入单元的末端，包括一级以上叶轮和级间调节器组合的串 联结构，所述叶轮通过一锥形轮毂固定连接到所述泵轴上，所述锥形轮毂的外缘 上设置有多个螺旋型叶片，所述叶片与所述泵壳之间留有间隙，所述级间调节器 通过一圆形轮毂有间隙地套设在所述泵轴上，所述圆形轮毂外缘上设置有多个导 叶，所述导叶外缘固定套设一套筒，所述套筒固定在所述泵壳内壁上；所述扩压 单元设置在所述增压单元的末端，包括一与所述增压单元连接的扩压通道，所述 扩压通道另一端连接一圆滑型空腔压出室。所述动力装置为一高速变频防爆电机，所述电机外围设有冷却盘管，所述冷 却盘管外围设置有电机保护壳。所述叶轮和级间流态调节器外围的所述泵壳设置为分段式。所述吸入单元中均化叶片的螺旋方向与所述增压单元中叶轮叶片的旋向一致。
所述叶轮上叶片和级间流态调节器上导叶均为从根部到端部逐渐变薄的形状。所述分离管上部的小通孔孔径大于其下部的小通孔孔径，每个孔径都不大于分离管直径的1/4，所述小通孔的轴线与分离管的轴线最小夹角小于或等于90。， 且上、下相邻的两个所述小通孔的轴线延长线相交。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明所涉及的旋转动 力式多相增压泵由吸入单元、增压单元、扩压段三个主要部分以及密封轴承、驱 动系统等辅助单元组成，含有油、气、水、固体颗粒的多相混合流体，在不分离、 无需分别增压的情况下，可以通过本发明实现油、气、水、固多相流增压和混相输送，兼顾了传统叶片泵和压縮机的性能。2、本发明配以高频防爆电机驱动，并 辅有运行监控系统，保证多相泵具有良好的变工况性能。3、本发明设置均化单元 和吸入单元，预先将含有大气团的多相流进行剪切和均混，使得气液两相呈相对 稳定的均匀泡状流，为进一步增压做好准备。4、本发明增压单元采用叶轮和级间 流态调节器多级串联结构，各级设计参数可以根据工况有所变化；高速旋转的叶 轮为多相流体提供动能，级间流态调节器将动能转化为压力能并通过导轮上的导 叶切碎大气团，叶轮与泵壳之间留有一定间隙，可以使含沙的混合介质通过，真 正达到轴向增压、开式输送。5、本发明因为增压单元的多级化而采取分段式泵壳 结构，使得拆装维修方便。6、本发明扩压单元具有庞大的压出室，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、本发明总 体采用立式结构，从而保证最小的海上和水下安装尺寸。综上所述，本发明使得油气水多相流在不分离的情况下增压成为可能，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，可以通过降低井口回压，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，本发明的设计思路为高速变频、 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和安装作业。与一般的叶片泵 相比，本发明针对现有技术的不足，借鉴单相泵和压縮机的设计方法，同时考虑 多相流体的特殊性，特别是气体压縮性，通过叶片泵的总体结构的优化设计，特 别是兼顾单相泵与压縮机性能的叶片叶型的优化设计，采用多相增压单元分段式 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，同时也使泵体拆装方便。
图l为本发明结构示意2为本发明增压单元结构示意图 图3为增压单元中叶轮轴向剖面示意图 图4为增压单元中级间流态调节器径向截面示意图 图5为本发明吸入单元中导流锥结构示意图 图6为导流锥上均化轮示意图具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。如图1所示，本发明为轴式连接结构，包括一动力装置1、 一由动力装置1驱动连接的泵体2，以及其它辅助装置，比如轴承、辅助固定件、连接件、密封系统、润滑系统等。本发明的动力装置1釆用高速变频防爆电机11驱动，为有效吸收电机11因 运转而产生的热量，在电机11的外围设有冷却盘管12。电机11与设置在泵体2 进出口处的压力、温度、流量等测控装置电连接，操作者可以通过与测控装置连 接的操作面板控制电机11，使得电机11能够根据来流变化进行转速调节。电机 11的输出端同心连接一泵轴13，在泵轴13上，连接有泵体2。泵体2的外围设置 有泵壳3。动力装置1的外围也可以设置电机壳4，泵壳3与电机壳4既可以一体 制作，也可以分体制作，分体制作后通过连接件连接起来。本发明的泵体2包括吸入、增压、扩压三段结构，由于本发明是采用抽吸式 结构，因此从动力装置1一端依次排列的是组成扩压结构的扩压单元21、组成增 压结构的增压单元22、组成吸入结构的吸入单元23和均化单元24。扩压单元21由一扩压通道211和一压出室212组成，扩压通道211为一由轴 向转为径向的拐角型结构，轴向一端连接增压单元22的出口，径向一端连接压出 室212。压出室212为一圆滑型径向腔体结构，向外垂直穿出泵壳3，与一外接的 输送装置连接。扩压单元21能将从增压单元22流出的多相流体的动能进一步转 变为压力能，并利用圆滑型腔体使具有相对速度差的气液两相间能量进一步均化， 减少速度滑差，最后将多相流体挤出腔体外。如图l、图2所示，增压单元22设置在扩压单元21的上端，为一级以上的串 联结构，增压单元21的每一级都由一叶轮221和一级间调节器222组成，多级串 联时，各级首尾相连，叶轮221与级间调节器222呈现为相互间隔的状态。各级 叶轮221和级间调节器222的设计参数可以根据工况有所变化，同时，多级串联 时泵壳3可以设置为分段式结构，然后通过长螺栓首尾紧固连接，实现分级拆装。
如图3所示，叶轮221包括一锥形轮毂223，锥形角度为6 12。，安装时锥 尖正对来流方向。轮毂中心孔上开设有键槽224，通过键与泵轴13固定连接，当 然，轮毂223也可以采取其它连接方式与泵轴13固定。为节省材料和减重，轮毂 223设置有环形空腔225，环形空腔通过通孔226与外界相通，以保持内外压平衡。 在轮毂223的外缘上设置有一个以上螺旋型叶片227， 一般为3 6个，叶片227 从根部到端部逐渐变薄，叶型兼顾现有技术中泵和压縮机叶型的特点，保证沿流 动方向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。叶片227与泵壳3之间留有间隙，约为0.2 0.3咖，即所谓的开式 结构，能够使得多相流顺利通过。如图4所示，级间调节器222包括一圆形轮毂228，轮毂228有间隙地套设在 泵轴13上，轮穀228外缘上均匀间隔地设置有多个导叶229,导叶229为从轮毂 根部到端部逐渐变薄的锥形结构，采用常规的流线法设计成形，用于疏导流体的 流动方向和剪切气团或液塞。导叶229的外围固定连接一套筒230，套筒230再固 定套设在泵壳3的内壁上。当泵轴13转动时，级间调节器222不随泵轴13—起 转动。多相流体在高速旋转的叶轮221作用下获得动能，沿叶片227的间隙轴向运 动，进入到级间调节器222。级间调节器222消除叶轮221出口流体环量，将流体 的动能转换为压力能，强迫多相流继续沿轴向运动，进入到下一级叶轮221;同时 在导叶229的剪切作用下，将叶轮221出口形成的气团或液塞破碎，在一定程度 上调整流体流动状态，使泵内气液两相流均匀，为下一个多相增压单元的正常工 作提供保证。如图5、图6所示，吸入结构的吸入单元23设置在增压单元22的上端，包括 一导流锥231，导流锥231固定连接在泵轴13上，与泵轴13 —起转动。导流锥 231的外缘上均匀设置有多个均化叶片232，均化叶片232与泵壳3之间留有间隙， 形成流体通道。每两个均化叶片232之间形成一导流槽233，导流槽233的开槽方 向也即均化叶片232的旋向。与增压单元22中叶轮221上的叶片227螺旋方向一 致，以保证多相流的流向一致，防止发生湍流使砂粒在导流锥231前沉积。导流 锥231的锥顶上设有螺纹孔234，用于与均化单元24连接。如图1所示，吸入结构的均化单元24包括一缓冲罐241，缓冲罐241固定在 泵壳3上。缓冲罐241上、下端均留有开口，下开口正对导流锥231，并与导流锥 231之间留有间隙。缓冲罐241的中央竖直设置一分离管242，分离管242下端连 接在导流锥231锥顶上的螺纹孔234中，能随导流锥231 —起转动。分离管242
上端穿出缓冲罐241的上开口，作为泵的入口，与多相流输入管道连接。分离管 242为中空管，在管壁上设置有多个不同直径的小通孔243，并且，在分离管242 上部的小通孔孔径要大于其下部的小通孔孔径，但是每个孔径都小于或等于分离 管242直径的1/4，所有小通孔的开孔总面积大于或等于分离管的最大通流面积。 小通孔243的轴线与分离管242的轴线最好垂直；当然，成一定角度也可以，但 是此时上、下相邻的两个小通孔243的轴线方向不能相同。在分离管242上同一 横截面圆周上的小通孔，彼此之间的间距为分离管直径的1/3。本发明在工作时，将泵体入口连接到外来的多相流输入管道的出口上，开动 动力装置l，使其带动泵轴13旋转，多相流率先进入到均化单元24的分离管242 中，在重力沉降作用下，气液首先产生分离，在分离管242的旋转作用下，大气 团被打碎，气液两态再度充分混合，逐步达到平衡。相对稳定的多相流从分离管 242的小通孔243流出来，在缓冲罐241进行缓冲，再在重力及吸力作用下从缓冲 罐241的下开口进入到吸入单元23。在经均化轮232的均混和导流槽233的梳导 下，剪切大气团或液塞，使多相流在增压单元22入口处形成一符合要求的速度场。 多相流在高速旋转的增压单元的叶轮221间获得动能，在级间调节器222间再转 换为压力能，并将前一级叶轮排出的大气团打碎，形成均匀的混合流。多相流经 过增压单元22的逐级增压，到达扩压单元21，在扩压单元21的扩压通道211和 压出室212作用下，使得动能进一步转化为压力能，并使具有相对速度差的气液 两相间能量进一步交换，减少速度差，最终一起流入到外接的输送装置中。
权利要求
1、一种旋转动力式多相增压泵，其特征在于它包括一动力装置，所述动力装置输出端通过泵轴连接一泵体，所述泵体外围设置有泵壳，所述泵体包括组成吸入结构的吸入单元和均化单元、组成增压结构的增压单元、组成扩压结构的扩压单元；所述均化单元包括一缓冲罐，所述缓冲罐固定在所述泵壳上，所述缓冲罐上、下端均留有开口，在所述缓冲罐的中央设置一中空多孔分离管，所述中空多孔分离管上端穿出所述缓冲罐的上开口与多相流的输入设备相连，所述中空多孔分离管下端固定到所述吸入单元上，所述中空多孔分离管上的多孔为开设在管壁上的若干通孔；所述吸入单元设置在所述均化单元的末端，包括一固定连接在所述泵轴上的导流锥，所述导流锥与所述缓冲罐下开口之间留有空隙，所述导流锥的外缘上设置有多个螺旋叶片式均化叶片；所述增压单元设置在所述吸入单元的末端，包括一级以上叶轮和级间调节器组合的串联结构，所述叶轮通过一锥形轮毂固定连接到所述泵轴上，所述锥形轮毂的外缘上设置有多个螺旋型叶片，所述叶片与所述泵壳之间留有间隙，所述级间调节器通过一圆形轮毂有间隙地套设在所述泵轴上，所述圆形轮毂外缘上设置有多个导叶，所述导叶外缘固定套设一套筒，所述套筒固定在所述泵壳内壁上；所述扩压单元设置在所述增压单元的末端，包括一与所述增压单元连接的扩压通道，所述扩压通道另一端连接一圆滑型空腔压出室。
2、 如权利要求1所述的一种旋转动力式多相增压泵，其特征在于所述动力 装置为一高速变频防爆电机，所述电机外围设有冷却盘管，所述冷却盘管外围设 置有电机保护壳。
3、 如权利要求1所述的一种旋转动力式多相增压泵，其特征在于所述叶轮 和级间流态调节器外围的所述泵壳设置为分段式。
4、 如权利要求2所述的一种旋转动力式多相增压泵，其特征在于所述叶轮和级间流态调节器外围的所述泵壳设置为分段式。
5、 如权利要求1或2或3或4所述的一种旋转动力式多相增压泵，其特征在 于所述吸入单元中均化叶片的螺旋方向与所述增压单元中叶轮叶片的旋向一致。
6、 如权利要求1或2或3或4所述的一种旋转动力式多相增压泵，其特征在 于所述叶轮上叶片和级间流态调节器上导叶均为从根部到端部逐渐变薄的形状。
7、 如权利要求5所述的一种旋转动力式多相增压泵，其特征在于所述叶轮 上叶片和级间流态调节器上导叶均为从根部到端部逐渐变薄的形状。
8、 如权利要求1 7之一所述的一种旋转动力式多相增压泵，其特征在于 所述分离管上部的小通孔孔径大于其下部的小通孔孔径，每个孔径都不大于分离 管直径的1/4，所述小通孔的轴线与分离管的轴线垂直。
9、 如权利要求1 7之一所述的一种旋转动力式多相增压泵，其特征在于-所述分离管上部的小通孔孔径大于其下部的小通孔孔径，每个孔径都不大于分离 管直径的1/4，所述小通孔的轴线与分离管的轴线最小夹角小于90° ，且上、下 相邻的两个所述小通孔的轴线延长线相交。
全文摘要
本发明涉及一种旋转动力式多相增压泵，它包括动力装置连接的泵体，泵体外有分段式泵壳，泵体包括均化、吸入、增压、扩压几个单元。均化单元有一缓冲罐，缓冲罐中央插一多孔分离管，分离管上端穿出缓冲罐，下端固定到吸入单元。吸入单元包括固定在泵轴上的导流锥，导流锥上有均化叶片。增压单元包括一级以上叶轮和级间调节器组合的串联结构，叶轮通过锥形轮毂固定到泵轴上，轮毂外有叶片，叶轮随泵轴转；级间调节器包括间隙套设在泵轴上的轮毂，轮毂上有导叶，导叶外固定有套筒，套筒固定在泵壳上，级间调节器不随泵轴转。扩压单元包括扩压段和压出室。本发明使得油气水多相流在不分离的情况下增压成为可能，实现了边际油田、卫星油田和深水油田的经济开采。
文档编号F04D31/00GK101398014SQ200810225338
公开日2009年4月1日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者姚海元, 朱宏武, 朱海山, 李清平, 涛 王, 珏 王, 胜 王, 王建丰, 薛敦松 申请人:中国海洋石油总公司;中海石油研究中心