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SL3ZB—37HJ型恒排量往复泵的研制与应用

作者: 来源: 发布时间:2006-6-1 10:24:54  点击数:7469

【关键词】往复泵,恒排量,结构设计,注聚合物

【论文摘要】SL3ZB—37HJ型三缸单作用恒排量往复泵是针对油田注聚合物的需要而开发的。这种新型泵采用凸轮传动机构,通过对凸轮廓线的设计,实现了恒排量输出特性,从根本上解决了曲柄连杆机构往复泵的排量、压力脉动问题,无须配备排出预压空气包、吸入缓冲器和灌注泵,自吸性能良好。着重叙述了这种泵的主要技术参数、工作原理及结构特点。11台泵历经一年多的使用情况证明,泵排量恒定,压力无波动,运转平稳,能充分满足注聚合物工艺要求。

A new constant displacement reciprocating pump.

  Wang Fudong
(Drilling Technology Research Institute, Shengli Petroleum Administration, Dongying City, Shandong Province)
Li Zongqing, Zhu Yuanzheng, et al.

  Model SL3ZB—37HJ triplex single action constant displacement reciprocating pump is developed according to the need of polymer injection in tertiary recovery. The pump adopts a kind of cam drive mechanism, realizes constant displacement performance by designing the cam profile, solves the problem of pulsation of displacement and pressure of pumps with crack-connecting rod mechanism. The new pump has good self suction capacity and doesn't need the air case and suction buffer and charging pump. The main technical parameters, working principle and design feature of this pump is described. Field operation of 11 pumps for 1 year shows that, the pump can satisfy the requirement of polymer injection with constant displacement and no pressure fluctuation.
  Subject Concept Terms  reciprocating pump  constant displacement  structure design
polymer injection

  胜利石油管理局钻井工艺研究院针对油田注聚合物需要开发的SL3ZB—37HJ型三缸单作用恒排量往复泵,采用凸轮传动机构,通过对凸轮廓线的设计,实现了恒排量输出特性,从根本上解决了曲柄连杆机构往复泵的排量、压力脉动问题,无须配备排出预压空气包、吸入缓冲器和灌注泵,自吸性能良好。现场使用情况证明,SL3ZB—37HJ型三缸单作用恒排量往复泵的各项性能指标均达到或超过设计要求,能充分满足三次采油注聚工艺要求。

主要技术参数

  SL3ZB—37HJ型三缸单作用恒排量往复泵的主要技术参数为:额定功率33kW,柱塞直径60mm、70mm,理论排量5.14m3/h、7m3/h,额定压力21MPa、15.4MPa,冲程长度76mm,额定冲次133min-1,电动机功率37kW,外形尺寸3150mm×1265mm×1210mm,机泵组质量3800kg,选用Y280S—8型电动机。
  现场应用中,通过改变小带轮直径,泵冲次实际变化范围为120~160min-1,拓宽了泵的参数范围。

工作原理及特性分析

  泵的动力端采用特殊廓线的凸轮传动机构取代传统往复泵动力端的曲柄连杆机构,3个凸轮以2π/3相位角安装在传动轴上,每个凸轮与通过凸轮中心水平布置的两个直径相同的滚轮对滚,两滚轮中心距为定值,其中一滚轮为复位滚轮,另一滚轮连接介杆、柱塞等往复运动件。凸轮轴转动时,滚轮带动介杆、柱塞等往复运动件做往复运动,完成吸、排液过程。
  对单缸来讲,其流量曲线为等腰梯形,即在吸入或排出过程中,柱塞运动分为匀加速、匀速和匀减速阶段。对应的柱塞运动曲线如图1所示。

t3801.gif (2042 字节)

图1 单缸流量曲线
注:0≤φ≤π时为排出冲程,π≤φ≤2π时为吸入冲程。

  据此可推导出排出冲程(或吸入冲程)时某一柱塞三个运动阶段的位移x、速度u和加速度a的方程,即
  匀加速运动阶段(0≤φ≤π/3)

3901.gif (384 字节)      (1)

3902.gif (350 字节)     (2)

a=sn2/200      (3)

  匀速运动阶段(π/3≤φ≤2π/3)

x=s(3φ-π)/(2π)       (4)

u=sn/20       (5)

a=0       (6)

  匀减速运动阶段(2π/3≤φ≤π)

3903.gif (510 字节)     (7)

u=3sn(π-φ)/(20π)       (8)

a=-sn2/200        (9)

式中 φ——凸轮轴转角,rad;
   s——冲程长度,m;
   n——冲次,min-1。
  由于三个缸的柱塞运动次序是按2π/3相位角布置的,所以可以很容易推出另外两柱塞的位移、速度和加速度公式,此处从略。
  往复泵的单缸瞬时排量[1]为

Qi(t)=Ui(t)A柱  i=1,2,3        (10)

式中 Qi(t)——某一时刻t所对应的单缸瞬时排量,m3/s;
   Ui(t)——某一时刻t所对应的柱塞运动速度,m/s;
   A柱——柱塞截面积,m2。
  三缸叠加,可以推出运动过程中任一时刻泵的理论排量

3904.gif (696 字节)       (11)

式中 Q——叠加后泵的理论排量,m3/s。
  从式(11)可以看出,三缸叠加后泵的理论排量只与泵冲程、冲次及柱塞截面积有关,而与凸轮轴转角φ,亦即时间t无关,在吸入过程中也一样(如图2、3所示)。由此可见,运动过程中泵流量始终为一恒定值,从而在理论上实现了泵的恒排量特性。同样,吸入及排出总管内液流加速度叠加值为零,液流在管线中均匀流动,无水力惯性损失和冲击。这从本质上改变了传统的曲柄连杆机构往复泵的运动与动力特性,解决了泵的排量和压力波动问题。

t3901.gif (1879 字节)

图2 排出(或吸入)时流量曲线
注:Q1、Q2、Q3分别表示三个缸排出(或吸入)时的流量。

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图3 三缸叠加后流量曲线

  由于SL3ZB—37HJ型往复泵具有恒排量的特性,从理论上讲,其流量不均度为零,完全可以自吸,不需配备灌注泵。吸入和排出总管内液流加速度为零,没有液流惯性损失,液体为匀速流动,没有冲击和振荡,完全可以不用吸入缓冲器和排出预压空气包。由此可以简化流程,节约设备投资。
  将s=0.076m,n=133min-1代入式(1)~(9),求得柱塞最大速度umax=0.51m/s、平均速度u平=0.34m/s、最大加速度a恒=6.72m/s2。而相同冲程和冲次的曲柄连杆机构往复泵(连杆比λ=0.138)的柱塞最大速度 umax=0.534m/s、最大加速度a曲=8.38m/s2。a恒与a曲之比为1∶1.247,即在泵冲次相同的情况下,曲柄连杆机构往复泵最大加速度比凸轮传动恒排量往复泵最大加速度大24.7%。从动力学角度看,也就意味着曲柄连杆机构往复泵泵阀升程大,泵阀开闭最大速度、泵阀对阀座的冲击力比凸轮传动恒排量往复泵大24.7%,泵内所有往复运动件的惯性力大24.7%。由此可以看出,采用凸轮传动,往复泵的运动特性和动力特性得到较大改善。泵阀及往复运动件的运行工况也因此得到改善,提高了易损件的使用寿命。

结构特点

  SL3ZB—37HJ型恒排量往复泵有如下结构特点。
  (1)采用凸轮传动机构 凸轮传动机构是这种泵的关键,也是与曲柄连杆机构往复泵相比的重大创新之处,其设计可靠性、传递运动的准确性决定着泵的最终性能。凸轮廓线的设计尤为重要,根据柱塞运动曲线,即从动件运动规律,可推导出其位移、速度和加速度曲线,从而进一步推导出凸轮理论廓线方程和实际廓线方程。
  设计中,采用等径凸轮配合双滚轮传动机构,前后两滚轮中心距为定值。
  (2)采用新型框架复位机构 该机构专利号为98222579.2,机构图见图4。复位框架分为两体,分别安装前、后滚轮,通过复位弹簧将二者连接到一起,复位弹簧提供弹簧力形成力封闭。给予一定弹簧预紧力,当凸轮旋转,带动前、后滚轮及复位框架做往复运动时,复位弹簧提供的弹簧力能够克服往复运动件惯性力及其它阻力,保证了滚轮与凸轮的良好接触,同时还可弥补由于加工误差、安装误差及运动过程中凸轮、滚轮的磨损而造成的两滚轮中心距的轻微变化,使前、后两滚轮在运动过程中始终与凸轮廓线保持良好接触,确保往复运动的准确性和可靠性。运动过程中,复位弹簧长度保持不变或仅随两滚轮中心距微变而产生轻微变化,保证了其使用寿命。复位框架兼有十字头的作用。

t4001.gif (7963 字节)

图4 复位框架机构简图
1—前滚轮;2—复位框架;3—后滚轮;4—架;
5—定位销;6—复位弹簧;7—凸轮;8—扶
正滑块;9—滚子;10—销轴;11—导板座

  (3)采用结构合理的滑块-滚子扶正装置 由图4可见,滑块安装在复位框架上,滚子安装在固定板上,二者形成滚动摩擦副,起扶正作用。通过调整滑块与滚子之间间隙,使得复位框架在往复运动自如的前提下,偏转程度最小,最大限度地保证了运动过程中滚轮轴线与凸轮轴线的平行度,保证了凸轮与滚轮的线接触程度,从而提高整套复位装置的可靠性。
  (4)采用波纹管随动密封,密封效果好,使用寿命长。
  (5)液力端设计中,进一步考虑了聚合物介质的特性,保持流道光滑通畅,阀锥角取90°,阀箱各缸进液管倾斜放置,以减轻液力端对聚合物造成的剪切。

现场应用情况

  目前,共有11台SL3ZB—37HJ型三缸单作用恒排量往复泵在胜利石油管理局孤东采油厂二区交联站进行交联聚合物的注入工作,注入介质为2000ppm聚丙烯酰氨溶液,采用污水配制,单井注入压力10~15MPa。截止1999年年底,单台泵平均连续运行时间为12000h,泵排量恒定,压力无波动,实测流量不均度3.8%。动力端性能良好,运转平稳,柱塞平均寿命3000h,柱塞盘根平均寿命2160h,阀组无故障运行时间1440h,泵连续运转率达95%以上,保证了现场注入的顺利进行。

结束语

  SL3ZB—37HJ型三缸单作用恒排量往复泵的研制成功,从根本上解决了曲柄连杆机构往复泵理论上所不能解决的排量、压力波动问题,填补了国内无脉动往复泵研究的空白,拓宽了往复泵的研究领域,具有显著的经济效益和社会效益。
  恒排量往复泵由于其性能优势,对聚合物等假塑性介质溶液机械剪切和液力剪切程度低,粘度保留率高,提高了注聚驱油效果,能充分满足三次采油注聚工艺要求。此外,这种泵还可广泛应用于石油、化工和造纸等行业,尤其是对排量、压力波动要求比较严格的场合。因此,SL3ZB—37HJ型三缸单作用恒排量往复泵具有良好的推广应用前景。

王复东,工程师,生于1972年毕业于石油大学(华东)矿机专业,现从事石油矿机械研究与设计工作.

王复东(胜利石油管理局钻井工艺研究院)
李宗清(胜利石油管理局钻井工艺研究院)
祝远征(胜利石油管理局钻井工艺研究院)
董怀荣(胜利石油管理局钻井工艺研究院)
王安庆(胜利石油管理局钻井工艺研究院)
周燕(胜利石油管理局钻井工艺研究院)
周鲲(胜利石油管理局钻井工艺研究院)

参 考 文 献

[1] 沈学海.钻井往复泵原理与设计.北京:机械工业出版社,1990:17


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