專利名稱：葉片式油氣水多相增壓泵的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多相增壓泵，尤其是一種葉片式油氣水多相增壓泵，屬于機械制造和多相流技術領域。
國外在多相增壓泵的研制方面已經取得一些初步的研究成果，試制了近10種不同類型的多相泵，其中最具代表性的是海神計劃的研究成果螺旋軸流式多相泵和德國Bornemann泵業公司等生產的雙螺桿式多相混輸泵。目前這兩種泵已有部分工業化產品，并在世界各地的陸上、海上油田以及深水油田開發中得到應用。但到目前為止，多相增壓泵的性能還遠遠不能滿足油田現場的實際需要，一方面，由于多相流動的復雜性，以及泵對流態和含氣率的依賴性，目前多相泵的使用范圍還受到一定限制；另一方面多相泵在高進口氣液比工況下的性能和效率都有待提高，螺旋軸流泵當進口氣體體積含量達到50％時，最佳效率只有約45％，而雙螺桿式多相泵一方面對固體顆粒比較敏感，同時體積較大，在進口氣體體積含量超過70％以后，其效率也迅速降低，同時多相泵還面臨的抗干轉、密封、潤滑等一系列的技術問題。就我國的實際情況而言，一方面，由于國外對現有關鍵技術產品嚴格保密，另一方面由于我國油品具有高粘、高凝、含沙、油氣比變化大的特征等特點，國外引進的多相泵在油田現場使用中也出現和遇到了一系列技術問題，如多相泵對流型的適應性、干轉、振動、密封泄露、雜質卡軸等，所以開發適合我國油田特色的多相泵勢在必行。
在我國，早在60年代大慶油田、勝利油田就曾對三螺桿、單螺桿式多相泵進行過開發研制，但都因技術難度大、或這樣那樣的原因，未能繼續深入研究。進入90年代以來，我國各大石油公司本著引進與開發研制相結合的原則，一方面引進國外較成熟的設備在陸上油田或海上平臺進行應用研究，一方面與科研院所聯合進行多相泵的研究工作，天津工業泵廠、船舶工業總公司711所等研制的雙螺桿泵、蘭州奈茨泵廠研制的單螺桿式混輸泵已進入現場實驗和應用研究階段，從目前情況看，引進和自行設計的多相混輸裝置在運行過程中都存在這樣或那樣的問題，可以說在一定程度上多相泵自身存在的技術問題已經制約了這一技術的推廣和應用。
國內研制開發的多相泵基本上是容積式多相泵，以雙螺式多相泵為例，其典型特點是中小流量、中高增壓，而我國目前開發的雙螺桿泵多相泵實驗樣機多為中低增壓，對固體顆粒敏感，在同等設計條件下，與葉片式機械相比其尺寸和重量都較大；對于傳統的葉片泵而言，由于高速旋轉時離心力的作用，使得具有不同性質的液體和氣體很容易發生相態分離，從而導致泵在氣液兩相流條件下的效率急劇降低甚至不能工作，常規離心泵當進口氣體體積含量達到4％時，其效率就迅速降低，當進口氣體體積含量超過10％時基本上無法運轉；軸流泵基本在進口氣體含量超過20％以后，效率急劇降低直到失去增壓能力。
本實用新型的又一目的在于，針對現有技術的不足，提供一種葉片式油氣水多相增壓泵，泵殼采用分段式設計，便于維修和更換，采用開式結構，并具有排沙結構，可輸送一定含沙量的混合介質，總體采用立式結構，從而保證最小的海上和水下安裝。
本實用新型的另一目的在于，針對現有技術的不足，提供一種葉片式油氣水多相增壓泵，提出多級泵的優化設計方法，對提高多相泵的整體運行性能具有重要的意義。
本實用新型的目的是通過如下技術方案實現的一種葉片式油氣水多相增壓泵，至少包括增壓裝置、軸承及密封裝置和動力裝置，其中，增壓裝置與動力裝置的轉軸同心設置，增壓裝置和動力裝置均通過軸承及密封裝置固設在各自的轉軸上，轉軸通過聯軸器與動力裝置相連，動力裝置帶動增壓裝置工作，多相流體在增壓裝置中增壓后輸出，所述的增壓裝置內設有多相增壓單元，該多相增壓單元通過增壓裝置的轉軸與動力裝置相連。
動力裝置為高速變頻防爆電機。
多相增壓單元由葉輪、級間流態調節器組成，其中，葉輪通過鍵固設在轉軸上，轉軸與動力裝置的傳動軸通過聯軸器相連，并隨之轉動；級間流態調節器通過連接裝置固設在多相泵殼體上并套設在轉軸上，級間流態調節器不隨轉軸轉動，在葉輪和級間流態調節器的外部圍設有分段式泵殼。
級間流態調節器外表面設有一個以上導葉，用于疏導流體的流動方向和剪切較大的氣團或液塞。
葉輪采用錐型輪轂，剖面為梯形，其內部開設通孔；并設有使葉輪與轉軸連接的鍵槽；在葉輪的外壁圓周上設有一個以上螺旋型的葉片。
多相增壓單元為一個以上，每個多相增壓單元的泵殼首尾銜接并彼此抵緊，首、末兩個多相增壓單元的頂端和底端分別設有壓板，該壓板通過穿設其間的壓緊裝置將多個增壓單元固定、壓緊；該壓緊裝置為長螺栓。
上述的連接裝置為套筒，套筒外壁固設在泵殼內壁上，其內壁套設在級間流態調節器上并與其間隙設置，級間流態調節器套設在增壓裝置的轉軸上，且不隨轉軸轉動。
多相增壓裝置泵殼外壁設有冷卻盤管，用于防止轉軸干運轉時引起的葉輪、軸承或其他部件的熱膨脹和損壞。
增壓裝置入口處設有吸入單元，該吸入單元包括導流錐和均化輪，導流錐的錐頂與泵體的入口對正設置，錐體與兩側泵殼形成流體通道，導流錐的底部固設在增壓裝置的轉軸上，導流錐和均化輪用于梳直流體。導流錐外壁表面上開設有導流槽，用于疏導流體流向并剪切氣團或液塞。導流槽的開槽方向與葉片的螺旋方向一致，用于使多相流進一步均勻混合，防止砂粒在導流錐前沉積。導流錐與均化輪可一體連設。
動力裝置外圍設有冷卻盤管，外部還架設有操作面板。
綜上所述，本實用新型的優點在于1、優化后的葉片式多相泵兼顧泵和壓縮機性能，能夠保證葉片間具有很長的方形通道、較大的流道曲率半徑，避免或延緩葉道內氣液兩相間相態分離的發生，提高葉片式多相泵在多相輸送條件下的性能；2、采用開式結構，并具有排沙結構，可輸送一定含沙量的混合介質。
3、泵殼上設計有具有冷卻盤管，可以防止干運轉時引起的葉輪、軸承或其他部件熱膨脹和損壞。
4、具有進口均化器和級間流態調節裝置，保證葉片式多相泵各級葉輪良好的工作條件和性能。
5、采用高速變頻電機，并輔有運行監控系統，配合多相緩沖均混裝置，保證多相泵的具有良好的變工況性能。
6、出口設計有徑向擴壓段和壓出室，可以進一步將實現壓力能的轉化，并為氣液兩相之間的能量交換和均衡提供保證。
7、泵殼采用分段式設計，便于維修和更換，進口部分泵殼底部設有排沙孔，可用于輸送含沙混合介質。
8、總體結構采用立式結構，從而保證最小的海上和水下安裝尺寸。
9、多級泵的優化設計，對提高多相泵整體運行性能具有重要的意義。
綜上所述，本實用新型節約設備和管線建設費用、大大簡化油氣集輸的工藝流程、降低操作費用的同時，通過降低井口背壓，提高油田的采收率，實現邊際油田、衛星油田和深水油田的經濟開采。
增壓裝置3中有包括有吸入單元31、多相增壓單元32、末級擴壓段33、泵殼34以及其他輔助裝置，比如軸承、密封、潤滑系統等組成，在泵殼34外部還設有冷卻盤管35。
在增壓裝置3入口處設有吸入單元31，該吸入單元包括導流錐311和均化輪，導流錐311的錐頂與泵體的入口對正設置，錐體與兩側泵殼形成流體通道，導流錐311的底部固設在轉軸上，導流錐311和均化輪起到梳直流體的作用。如圖5、6所示，導流錐311外壁表面上開設有導流槽3111，用于疏導流體流向。導流槽3111的開槽方向與葉片的螺旋方向一致，可以使多相流進一步混合均勻，防止在導流段發生湍流使砂粒在導流錐前沉積。導流槽3111的主要作用是為了梳直流體，保證進入泵殼的流體在入口處有符合要求的速度場，當速度分布均勻時，水力損失最小。
如圖7所示，為本實用新型葉片式油氣水多相增壓泵的結構示意圖之二。從圖中可知，多相增壓單元32的數量為一個以上，每個增壓單元32都是由葉輪321和級間流態調節器322組成，其外部設有分段式泵殼322。一個以上增壓單元32通過其外部的長螺栓4壓緊。
在葉片式油氣水多相增壓泵中，每個增壓單元32均由葉輪321和級間流態調節器322組成，級間流態調節器322通過套筒324固定在泵殼325上，其結構如圖2、圖8所示。多相流體在高速旋轉的葉輪321中獲得動能，而級間流態調節器322的作用在于將多相流體的動能轉換為壓力能，并起到整流作用，即將前一級排出的大氣團打碎，形成均勻的混合流，為下一級葉輪的正常工作提供保證。葉輪321和級間流態調節器322強迫泵輸介質沿軸向運動，有效地減緩和抑制了氣液兩相介質在流道內的相態分離，保證泵內氣液兩相均勻流，從而有效地提高了泵在多相流工況下工作性能和效率。與常規單相泵相比，其工作的進口含氣率范圍為0-100％，效率的下降點在進口含氣率達到或超過50％以上。
葉輪321的具體結構如圖3所示。圖中葉輪321外表面上設置的葉片3212為四個。輪轂3211有一定的錐度，葉片3212從輪轂3211到輪緣逐漸變薄，葉型兼顧泵和壓縮機中葉型的特點，保證沿流動方面和垂直流動方向的壓力遞增速度比較平緩，以防止或減緩氣液兩相間相態分離的發生。由于參數的選取對葉輪的流動性能具有決定性作用，而合理的結構設計可以有效地防止氣液兩相分離，是保證兩相輸送的必要條件。經過理論和實驗的反復論證，給出葉片的基本設計參數選取范圍見表1，這些參數的優化和合理選取，對保證泵在油氣水多相條件下良好的工作性能提供了保證。
在葉片式油氣水多相增壓泵中，緊靠葉輪321后面裝有級間流態調節器322，其功能除了消除葉輪321出口流體環量，將流體的動能轉換為壓力能外，還可以利用其上安裝的導葉3221的剪切的作用，破碎葉輪321出口形成的氣團或液塞，在一定程度上調整氣液兩相流體流動狀態，為下一多相增壓單元的正常工作提供保證。導葉3221的擴壓度和葉型要根據壓縮單元的吸入條件，所述的吸入條件包括氣液比、吸入壓力等條件，而且要根據泵軸轉速的大小而定。葉片式油氣水多相增壓泵中導葉3221的具體結構如圖4所示，導葉3221輪轂為錐形結構，具體設計中采用流線法進行。圖中導葉3221的數量為十三枚。
如
圖1所示，增壓裝置3的末端設有末級擴壓段33和壓出室，用于實現多相流體動能向壓力能的轉變。末級擴壓段33為優化的徑向設計，壓出室可以采用環形壓出室，一方面保證動能的進一步轉化，另一方面也可以使具有相對速度差氣液兩相間能量進一步交換能量，減少速度滑差。
從
圖1中可知，葉片式油氣水多相增壓泵除了上述的主要裝置之外，還包括軸承、密封、潤滑等輔助裝置。增壓泵的泵體采用分段設計，便于安裝和拆卸，在首級泵體中有定期除沙孔；在泵的末級裝有冷卻水套，用于保障泵在干運轉工況下的工作性能。
根據氣體的可壓縮性，前后級葉片采用不同的設計參數，前幾級設計的重點在于避免氣液之間的相態分離，所以揚程系數的選取和增壓值的選取都比較保守，后面幾級的設計重點放在混合增壓上，設計增壓值比較大。
另外，多相泵機組的設計采用立式結構，電機在上部、泵體在下部，泵的轉速采用變頻調速器，泵的進出口具有壓力、溫度、流量測試裝置，為變頻器根據來流情況變化進行轉速調節提供依據。
表1多相增壓泵葉輪設計參數的選擇范圍
所述的增壓裝置在用于6級以上工業用多級泵的設計時，采用分段設計，增壓單元設計根據級數變化而有所改變。在葉片式油氣水多相增壓泵的出口設有壓出單元，壓出單元由徑向擴壓段和壓出室組成，可以進一步將實現壓力能的轉化，并為氣液兩相之間的能量交換和均衡提供保證。
因此，本實用新型將使得油氣水多相不分離增壓也即多相增壓成為可能，在節約設備和相應管線建設費用、大大簡化油氣集輸的工藝流程，降低操作費用的同時，可以通過降低井口背壓，提高油田的采收率，實現邊際油田、衛星油田和深水油田的經濟開采。
與容積式多相泵樣機相比，該系統的設計思路為高轉速、低重量、小體積、大流量，具有一定的防沙功能，并考慮平臺和未來水下的應用前景，采用立式結構，便于進一步水下撬裝化設計。
與一般的葉片泵相比，本實用新型針對現有技術的不足，借鑒單相泵和壓縮機的設計方法，同時考慮多相流體的特殊性，特別是氣體壓縮性，通過葉片泵的總體結構的優化設計，特別是兼顧泵與壓縮機性能的葉片葉型的優化設計，使得泵內氣液之間相態分離程度大大減弱，從而在很大程度上改進葉片泵在多相流條件下的工作性能。
最后應說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求1.一種葉片式油氣水多相增壓泵，至少包括增壓裝置、軸承及密封裝置和動力裝置，其中，增壓裝置與動力裝置的轉軸同心設置，分別通過軸承及密封裝置固設在各自的轉軸上，轉軸通過聯軸器與動力裝置相連，其特征在于所述的增壓裝置內設有多相增壓單元，該多相增壓單元通過增壓裝置的轉軸與動力裝置相連。
2.根據權利要求1所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的動力裝置為高速變頻防爆電機。
3.根據權利要求1所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的多相增壓單元由葉輪、級間流態調節器組成，其中，葉輪通過鍵固設在轉軸上，轉軸與動力裝置的傳動軸通過聯軸器相連，級間流態調節器通過連接裝置固設在多相泵殼體上并套設在轉軸上，葉輪和級間流態調節器的外部圍設有分段式泵殼。
4.根據權利要求3所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的級間流態調節器外表面設有一個以上用于疏導流體的流動方向和剪切氣團或液塞的導葉。
5.根據權利要求3所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的葉輪采用錐型輪轂，剖面為梯形，其內部開設通孔；并設有使葉輪與轉軸連接的鍵槽；在葉輪的外壁圓周上設有一個以上螺旋型的葉片。
6.根據權利要求1或3所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的多相增壓單元為一個以上，每個多相增壓單元的泵殼首尾銜接并彼此抵緊，在首、末兩個多相增壓單元的頂端和底端分別設有壓板，壓板上設有穿設其間的壓緊裝置。
7.根據權利要求6所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的壓緊裝置為長螺栓。
8.根據權利要求3所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的連接裝置為套筒，套筒外壁固設在泵殼內壁上，其內壁套設在級間流態調節器上并與其間隔設置，級間流態調節器套設在增壓裝置的轉軸上。
9.根據權利要求1或3所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的多相增壓裝置泵殼外壁設有用于防止轉軸干運轉時引起的葉輪、軸承或其他部件的熱膨脹和損壞的冷卻盤管。
10.根據權利要求1所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的增壓裝置入口處設有吸入單元，該吸入單元包括導流錐和均化輪，導流錐的錐頂與泵體的入口對正設置，錐體與兩側泵殼形成流體通道，導流錐的底部固設在增壓裝置的轉軸上。
11.根據權利要求10所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的導流錐外壁表面上開設有用于疏導流體流向并剪切氣團或液塞的導流槽。
12.根據權利要求5或11所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的導流槽的開槽方向與葉片的螺旋方向一致。
13.根據權利要求10或11所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的導流錐與均化輪一體連設。
14.根據權利要求1所述的葉片式油氣水多相增壓泵，其特征在于所述的動力裝置外圍設有冷卻盤管，其外部還架設有操作面板。
專利摘要一種葉片式油氣水多相增壓泵，至少包括增壓裝置、軸承及密封裝置、動力裝置，增壓裝置與動力裝置的轉軸同心設置，并通過軸承及密封裝置固設在各自的轉軸上，轉軸通過聯軸器與動力裝置相連，動力裝置帶動增壓裝置工作，多相流體在增壓裝置中增壓后輸出，增壓裝置內設有多相增壓單元。本實用新型兼顧了葉片泵和壓縮機的性能，優化后的葉片式多相泵能夠避免或延緩葉輪流道內氣液兩相間相態分離的發生，提高了葉片泵在輸送多相流體時的性能；采用開式結構，泵殼上開設排沙孔，可用于輸送含沙混合介質；動力驅動裝置采用變頻裝置，配合多相流體緩沖均混器和自動監控系統，保證多相泵具有良好的變工況性能。
文檔編號F04D29/40GK2600630SQ0229514
公開日2004年1月21日 申請日期2002年12月30日 優先權日2002年12月30日
發明者朱宏武, 李清平, 薛敦松 申請人:石油大學(北京), 中海石油研究中心