往復(fù)泵和空氣包原理

1,第一章往復(fù)泵1.1概述泵是一種輸送液體的機(jī)械，它把原動機(jī)的機(jī)械能或其它能源傳遞給液體，借以增加液體能量。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和作用不同，泵可分為三個基本類型。,2,(1)容積式泵：依靠包容液體的密封工作空間容積周期性的變化，把能量周期性地傳遞給液體，使液體的壓力增加到將液體強(qiáng)行排出。往復(fù)泵:,3,螺桿泵屬于這一類。,4,(2)葉輪式泵依靠旋轉(zhuǎn)的葉輪對液體的動力作用，把能量連續(xù)地傳遞給液體，使液體的速度能（為主)和壓力能的能量增加，隨后通過壓出室將大部分速度能轉(zhuǎn)換為壓力能。如離心泵，軸流泵和旋渦泵屬于這一類。,5,(3)其它類型泵如射流泵，,6,水錘泵等。,7,往復(fù)泵是一種典型的容積泵。它包容液體的密封工作空間容積由于活塞(或柱塞)的往復(fù)運(yùn)動而產(chǎn)生周期性變化，從而把活塞(或柱塞)運(yùn)動的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成為液體的壓能。它在石油礦場上應(yīng)用非常廣泛。它常常用于高壓下輸送高粘度、大密度和高含砂量的液體，而流量相對較小。,8,在鉆井過程中，需要攜帶出井底的巖屑和供給井底動力鉆具的動力，這種用于向井底輸送和循環(huán)鉆井液的往復(fù)泵，被稱為鉆井泵或泥漿泵。,9,為了加固井壁，向井底注入高壓水泥的往復(fù)泵被稱為固井泵或水泥泵；,10,為了造成油層的人工裂縫，提高原油產(chǎn)量和采收率，用于向井內(nèi)注入含有大量固體顆粒的液體或酸堿液體的往復(fù)泵，稱為壓裂泵；,11,在采油過程中，用于在井內(nèi)抽汲原油的往復(fù)泵，稱為抽油泵；等等。,12,1.1.1往復(fù)泵的工作原理圖11是臥式單缸單作用往復(fù)泵示意圖。,13,工作時，動力機(jī)通過皮帶，傳動軸，齒輪等傳動部件帶動主軸及固定于其上的曲柄旋轉(zhuǎn)。,14,當(dāng)曲柄從水平位置自左向逆時針旋轉(zhuǎn)時，活塞向右邊亦即泵的動力端移動，液缸內(nèi)形成一定的真空度，吸入池中的液體在液面壓力Pa的作用下，推開吸入閥，進(jìn)入液缸內(nèi)，直到活塞移到右死點(diǎn)位置為止。這個過程，稱作液缸的吸入過程。,15,曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動，活塞開始向左亦即泵的液力端移動，缸套內(nèi)液體受到擠壓，壓力升高，吸入閥關(guān)閉，直到缸內(nèi)壓力升高到大于排出管線上的壓力，排出閥被推開，液體經(jīng)排出閥和排出管排出，直到活塞移到左死點(diǎn)為止。這一過程稱作液缸的排出過程。,16,曲柄連續(xù)旋轉(zhuǎn)，每一周內(nèi)活塞往復(fù)運(yùn)動一次，單作用泵的液缸完成一次吸入和排出過程。在吸入和排出過程中，活塞移動的距離以s表示，稱作活塞的行程長度：曲柄半徑用r表示。它們之間的關(guān)系為:S2r,17,1.1.2往復(fù)泵的分類按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，石油礦場用拄復(fù)泵大致可按以下四方面分類：1.按缸數(shù)分:有單缸泵、雙缸泵、三缸泵、四缸泵等。2.按作用方式分:有單作用式和雙作用式兩種。,18,單作用式泵如圖11所示，其活塞在液缸內(nèi)往復(fù)一次，該液缸作一次吸入和一次排出。,19,雙作用式泵如圖12所示，液缸被活塞分為兩個工作室，無活塞桿的為前工作室，有活塞桿的為后工作室，每個室都有吸入和排出閥。雙作用泵，活塞往復(fù)運(yùn)動一次，其液缸完成吸入過程和排出過程各二次。,20,21,3.按液缸的布置方案及其相互位置分：有臥式泵、立式泵、V形泵、星形泵等。,22,4.按活塞式樣分：有活塞泵(如圖11),23,柱塞泵(圖13)。,24,通常以泵的上述主要特點(diǎn)來區(qū)分各種不同類型的泵，如單缸單作用立式柱塞泵、雙缸雙作用臥式活塞泵、三缸單作用柱塞泵等。,25,1.1.3往復(fù)泵的基本參數(shù)反映泵基本工作性能的參數(shù)有：1.泵的排量：泵的排量是指單位時間內(nèi)泵通過管道所輸送的液體量。排量通常以單位時間內(nèi)的體積表示，稱作體積排量，代表符號為Q，單位為l/s或m3s。,26,2.泵的壓力：泵的壓力通常指泵排出口處液體的壓力，代表符號為P，單位為MPa。3.泵的功率和效率:單位時間內(nèi)動力機(jī)傳到往復(fù)泵主軸上的能量，稱為泵的輸入功率。以N主表示。,27,而單位時間內(nèi)液體通過泵后所獲得的能量稱為泵的有效功率，或輸出功率，以N表示。泵的功率單位一般為kw，現(xiàn)場也習(xí)慣用馬力（HP)來表示。,28,4.泵速泵速是指單位時間內(nèi)活塞或柱塞的往復(fù)次數(shù)，也稱作泵的沖次，以n表示，單位為沖/min。,29,1.2往復(fù)泵的排量1.2.1往復(fù)泵的平均排量：往復(fù)泵的排量與活塞面積F(m2)，活塞沖程S(m)以及沖程次數(shù)n(沖min)有關(guān)。往復(fù)泵在單位時間內(nèi)理論上應(yīng)輸送的液體體積，稱作泵的理論平均排量Q理均。,30,31,32,對于雙作用往復(fù)泵，活塞往復(fù)一次，各液缸輸送液體兩次，液體體積為(2Ff)S。設(shè)泵的缸數(shù)為i，則i缸雙作用泵的理論平均排量為:,33,實(shí)際上，往復(fù)泵工作時，由于吸入閥和排出閥不能及時開啟或及時關(guān)閉；泵閥、活塞和其它密封處可能有高壓液體漏失；泵缸中或液體中含有氣體而降低吸入充滿度等等，都可能使泵的實(shí)際排量降低。,34,35,1.2.2往復(fù)泵的排量曲線1.瞬時排量由于往復(fù)泵活塞速度是變化的，故每個液缸的排量也因之而變化。設(shè)活塞的截面積為F，活塞運(yùn)動速度為u,36,圖14為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳動的往復(fù)泵運(yùn)動簡圖，它將泵主軸的等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(角速度)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊耐鶑?fù)直線運(yùn)動。,37,因?yàn)椋簉/L0.2,sin1，所以：（r/L）2sin2很小，舍去。于是得：,38,討論：0cos1XrL（右死點(diǎn)）/2cos0XL(r/L很小，L與X軸夾角很小，XL)cos1XrLLr（左死點(diǎn)）2/3cos0XL2cos1XrL（右死點(diǎn)）,39,因?yàn)榛钊麤_程：S（rL）X（rL）（rcosL）rr*cosr（1cos）即：Sr（1cost）所以:uSr*sint*r*sintaur*cost*r*2*cost,40,往復(fù)泵得瞬時排量：因?yàn)椋何Ⅲw積VFS式中：F活塞面積；S微位移；所以：（）所以：Q瞬FuFrsint因?yàn)椋核裕?41,對于多缸泵，其瞬時排量為每一液缸在同一瞬時輸送的液體量之和。,42,2.往復(fù)泵的排量曲線往復(fù)泵工作時，各液缸（或工作室)及泵的瞬時排量按一定規(guī)律變化，如果以曲柄轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，排量為縱坐標(biāo)，即可作出泵的瞬時排量和平均排量隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的曲線，稱之為泵的排量曲線。,43,圖15為單缸單作用往復(fù)泵的排量曲線。,44,圖16雙缸雙作用往復(fù)泵的排量曲線。,45,圖17三缸單作用往復(fù)泵的排量曲線。,46,1.2.3往復(fù)泵的排量不均度任何類型的往復(fù)泵，在曲柄轉(zhuǎn)動一周的過程中，其理論瞬時排量都是變化的，該排量的波動將引起吸入和排出管線上流量和壓力的波動而使管線振動。在往復(fù)泵的運(yùn)行中，人們希望泵的排量均勻，工作平穩(wěn)。,47,48,49,50,1.2.4往復(fù)泵的排量系數(shù)往復(fù)泵的實(shí)際工作過程與理論工作過程有一定的差異，而使泵實(shí)際排量小于理論排量，具體分析如下：,51,1.吸入過程在排出終了和吸入開始的瞬間，排出閥由于滯后不能及時關(guān)閉，余隙容積(活塞在前死點(diǎn)位置時的工作腔容積)中的液體壓力仍等于排出壓力。因此，當(dāng)活塞向右移動時，工作腔內(nèi)的液體壓力不可能驟降，而是逐漸下降，使排出閥關(guān)閉。泵內(nèi)壓力低于吸入管線壓力時，吸入閥開啟，液體才開始吸入，所以泵的實(shí)際吸入行程要比理想的短。,52,此外，在吸入過程中存在著高壓液體通過已關(guān)閉的排出閥密封面向工作腔的泄漏（對于雙作用泵，還存在另一工作腔的高壓液體通過活塞密封面向低壓側(cè)的泄漏)；外界空氣通過密封不嚴(yán)密處進(jìn)入工作腔；溶解在液體中的氣體因壓力降低而析出以及液體吸入時帶進(jìn)來的氣體，這些都占據(jù)了一定的工作腔容積，使實(shí)際吸入的液體小于行程容積，造成容積損失。,53,2.排出過程在排出開始瞬間，吸入閥由于滯后也不能及時關(guān)閉，以及液體在高壓下的可壓縮性(特別是工作腔內(nèi)含有氣體則更為明顯)，使工作腔內(nèi)的液體壓力不可能驟增，而是逐漸升高，直至吸入閥關(guān)閉，腔內(nèi)壓力大于排出管線壓力后，排出閥開啟，液體才開始排出。實(shí)際排出行程也要比理論行程短，在排出過程中也存在高壓液體通過吸入閥密封面以及活塞，填料箱等密封處向低壓側(cè)的泄漏，使實(shí)際排出的液體量小于行程容積。,54,綜上所述，導(dǎo)致實(shí)際排量小于理論排量的主要原因是：吸入和排出過程開始階段的沖程損失，壓縮液體和氣體等引起的沖程損失和各密封處的漏失損失。即一方面由于實(shí)際進(jìn)泵液體小于理論排量，另一方面由于進(jìn)泵后獲得能量的液體存在漏失。,55,56,1.3往復(fù)泵的壓頭、功率和效率1.3.1往復(fù)泵的有效壓頭液體的位置水頭，壓力水頭和速度水頭分別表示單位重量液體所具有的位能，壓能及動能大小。它們之和是液體的總水頭，即單位重量液體所具有的總能量，以J/N表示。,57,圖18所示的泵和管線系統(tǒng)，由于泵對液體作功，即把機(jī)械能傳遞給液體，液體本身能量將增加，如以N表示重量單位,以N.M(即J)表示能量單位，以H表示單位重量液體由泵獲得的能量，則H的單位為(J/N)稱作泵的有效壓頭或揚(yáng)程。,58,59,泵的吸入閥和排出閥以及液缸內(nèi)的水力損失全部屬于泵內(nèi)損失，它影響泵的效率，但不包括在管路損失之內(nèi)。,60,即泵的有效壓頭H等于排出池液面與吸入池液面的總比能差，加上吸入和排出管線中水頭損失。這就是說泵供給單位重量液體的能量，是用在提高液體的總比能和克服全部管線中的液體流動阻力兩個方面。,61,在這種情況下，泵的有效壓頭就等于排出池與吸入池液面高度差和管路中的水頭損失。,62,以上各式都不能直接確定泵的有效壓頭，實(shí)際上，現(xiàn)場多采用比較簡便的辦法，直接確定泵的有效壓頭。如圖18所示，在泵入口處(斷面)安裝真空表，在泵出口處(斷面)安裝壓力表。因?yàn)椋罕韷毫^對壓力大氣壓力(絕對壓力大氣壓力)真空度大氣壓力絕對壓力(絕對壓力大氣壓力),63,64,65,66,每一部分水頭損失主要取決于泥漿的性能及其在管道中的流型，流速和管長等因素，管路尺寸愈長，井愈深，水頭損失愈大。在管路尺寸一定的條件下，管路水頭損失與流量平方成正比，即P管BQ2。,67,68,1.3.2往復(fù)泵的功率,69,N為泵的實(shí)際工作效果，因此稱為泵的有效功率，又稱作泵的水力功率或輸出功率。顯然，泵之所以能將能量傳給液體，是由于外界機(jī)械能輸入的結(jié)果。假定發(fā)動機(jī)(柴油機(jī)、電動機(jī)等)輸送到泵主軸(或稱傳動軸)上的功率為N主（或Np，一般稱N主為泵的主軸功率或泵的輸入功率)，,70,71,72,1.3.3往復(fù)泵的效率往復(fù)泵工作過程中的功率損失，如圖19所示，包括以下幾個方面：,73,1.機(jī)械損失N機(jī)它是克服泵內(nèi)齒輪傳動、軸承、活塞、盤根和十字頭等機(jī)械摩擦所消耗的能量。泵輸入功率N主減去這部分損失后所剩下功率，稱為泵的轉(zhuǎn)化功率，即單位時間內(nèi)由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體能量的那一部分功率，以Ni表示。,74,75,76,3.容積損失N漏泵實(shí)際排出的液體體積總比泵的理論排出體積小，這是由于有一部分已經(jīng)獲得能量的高壓液體從活塞與缸套之間、活塞桿與密封之間、閥與閥座之間漏失所致。,77,78,這部分漏失的高壓流體的體積為Q漏，它造成的能量損失為N漏（見圖19）。,79,1.4往復(fù)泵的吸入、排出過程和空氣包1.4.1往復(fù)泵的正常吸入條件往復(fù)泵所以能從吸入池中吸入液體，是由于活塞在液缸內(nèi)運(yùn)動，使缸內(nèi)壓力低于吸入池液面上的壓力，在壓力差的作用下液體流進(jìn)液缸。,80,圖1-10所示為往復(fù)泵吸入流道示意圖。,81,吸入池斷面為11斷面，由于液池很大，吸入過程中液面的變化速度可視為零，即比動能為零；斷面上的壓力為大氣壓力Pa，即比壓能為Pag。如果吸入池是封閉罐或用離心泵向往復(fù)泵內(nèi)灌注液體，則Pa應(yīng)為封閉液灌內(nèi)液面壓力，或灌注泵出口壓力。,82,在斷面11處，液體的總比能為：E11Pag在活塞斷面22處，液體與活塞一起運(yùn)動，比動能為u2g；比位能是Z0，Z0Z1十Z2Z1為液面到吸入法蘭的高差，Z2為吸入法蘭到泵的液缸中心的高差。,83,設(shè)液缸內(nèi)的絕對壓力為P吸，,84,往復(fù)泵在工作過程中，為了把液體吸入液缸，應(yīng)使液缸內(nèi)的吸入壓力小于吸入池液面壓力，即P吸Pa。但缸內(nèi)的吸入壓力也不能無限制地降低。因?yàn)楫?dāng)P吸小于或等于液體在該溫度下的汽化壓力Pt時，部分液體就會在缸內(nèi)開始汽化，其結(jié)果將使泵的充滿系數(shù)降低，甚至產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。,85,嚴(yán)重的氣蝕將導(dǎo)致水擊，使泵不能正常工作，甚至損壞泵的零部件。為了避免上述情況的發(fā)生，應(yīng)使液缸內(nèi)的最小吸入壓力P吸min始終大于液體的汽化壓力。,86,液體的汽化壓力和溫度有關(guān)，溫度不同，汽化壓力也不同。表11中給出了幾種液體在不同溫度下在汽化壓力。,87,88,89,為保證液缸內(nèi)的液體不發(fā)生汽化，往復(fù)泵的實(shí)際安裝高度Z應(yīng)小于允許安裝高度Z0，即ZZ0。,90,為了改善往復(fù)泵的吸入性能，特別是提高泵的自吸能力，一般可采取的措施有：1)減小h阻的具體措施有：縮短吸入管線長度；適當(dāng)增大管徑；盡量少采用彎頭和閥門等。2)安裝吸入空氣包以降低吸入管中液體的慣性水頭。,91,3)降低泵安裝高度或提高吸入池液面高度；采用罐吸或離心泵灌注。4)對沖次較高的往復(fù)泵，采用有效過流面積較大的通孔閥以減小K阻和K慣。5)降低沖次以減少h慣、K慣。,92,4.2往復(fù)泵排出過程中液缸內(nèi)的壓力變化規(guī)律往復(fù)泵排除過程中，活塞擠壓缸內(nèi)液體，使壓力提高，以克服液體在排出流道中的流動阻力和慣性力，以及排出閥的阻力和慣性力，增加液體位能，并使液體具有一定的流動速度。,93,圖111泵排出過程示意圖,94,與吸入過程類似，由圖111所示泵排出過程示意圖，可以得到排出過程的能量平衡方程式：,95,由圖112可以看出，由于活塞運(yùn)動速度不穩(wěn)定而引起排出流道中液流不穩(wěn)定，造成液缸內(nèi)壓力變化很大。,96,各種影響因素中，慣性水頭的影響是最大的，因?yàn)閔慣與排出管線長度成正比，故當(dāng)泵速較高時，h慣可達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值。這樣，在排出過程剛開始時，缸內(nèi)壓頭P排g很大，使泵的零件受到很大的載荷；而在排出終了時，由于h慣達(dá)到最大負(fù)值，有可能使P排g變?yōu)樨?fù)值或小于汽化壓頭Ptg，導(dǎo)致液體與活塞脫離，或發(fā)生汽化。,97,此外，排出壓力的波動，使泵和動力機(jī)負(fù)載不均勻，工作條件惡化。尤其當(dāng)排出壓力變化頻率與排出管線自振頻率相同或成整數(shù)倍時，將引起共振，使其無法正常工作。因此，一般的往復(fù)泵(特別是鉆井泵)都配有排出空氣包，以便盡可能降低或消除排出管線中流動液體的慣性水頭，減小排出壓力的波動(如圖112中的虛線所示)。,98,1.4.3空氣包往復(fù)泵工作過程中，由于結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)必然產(chǎn)生流量和壓力的波動，除了使泵的效率降低，吸入性能惡化，泵和管線使用壽命縮短外，還將降低往復(fù)泵的使用效果，例如在鉆井過程中由于鉆井液的排量和壓力波動，將降低泥漿攜帶巖屑的能力，甚至導(dǎo)致井壁坍塌和漏失。因此，為了改善往復(fù)泵的工作條件，盡可能減少由于排量和壓力波動對往復(fù)泵工作的影響，必須將壓力波動降低到容許范圍內(nèi)。,99,目前常用的辦法是在泵的吸入口和排出口處配置空氣包?？諝獍鼞?yīng)盡可能安裝在靠近泵的液缸處，裝在吸入口附近的稱為吸入空氣包，裝在排出口附近的稱為排出空氣包。,100,1.空氣包的工作原理吸入空氣包和排出空氣包都是一個內(nèi)部充以一定壓力的氮?dú)饣蚩諝獾拿荛]容器，其基本功能是利用氣體的可壓縮性，隨著吸入壓力或排除壓力的變化，自動的向泵或排出管線供給液體，或者儲存一部分來自吸入管線或泵的液體，使吸入總管內(nèi)或排除總管內(nèi)液流均勻，慣性力減小，從而降低壓力波動。,101,但是自吸入空氣包至泵缸或自泵缸至排出空氣包的支管內(nèi)，其液流仍隨著活塞的運(yùn)動規(guī)律而變化，空氣包對這一段管線不起調(diào)節(jié)作用。,102,圖1-13表示一個單作用液缸的吸入沖程中吸入空氣包的三個主要工作階段。當(dāng)吸入沖程開始時，活塞的加速度使液缸內(nèi)的壓力P吸迅速降低，在壓力差作用下吸入閥打開，吸入管中液體加速。,103,這時，如果沒有吸入空氣包，則自活塞端部到吸入液罐一段長距離(L1L2)管段內(nèi)的液體會突然被加速，產(chǎn)生阻礙液體流動的慣性水頭很大，使泵缸內(nèi)壓力急劇下降，甚至?xí)饠嗔骱推?104,而在泵吸入口裝吸入空氣包時，吸入開始階段，空氣包內(nèi)的液體在氣體壓力的作用下，經(jīng)過吸入支管進(jìn)入液缸(圖1-33a)，這時只有從活塞端面至空氣包這一段短距離(L1)管子內(nèi)的液體被突然加速，產(chǎn)生阻礙液體流動的慣性水頭很小，保證液缸內(nèi)壓力不會下降過大。,105,隨著活塞繼續(xù)運(yùn)動，空氣包仍向液缸供液。由于空氣包內(nèi)液體量不斷減少，而從吸入液罐直接進(jìn)入泵缸中的液體體積逐漸增多(圖1-13b)。,106,當(dāng)吸入空氣包內(nèi)氣體壓力低于吸入液罐中液體壓力時，空氣包就停止向液缸供液。,107,這時，由于活塞處于吸入沖程的后半段，作減速運(yùn)動，慣性力推著液體向前運(yùn)動，所以吸入液罐的液體很流暢地進(jìn)入液缸，而多余的液體則進(jìn)入空氣包(圖1-33c),108,吸入空氣包內(nèi)的液體量增多，壓縮空氣，壓力升高，又回到剛開始吸入時的狀態(tài)。在下一個吸入沖程開始時，空氣包又重復(fù)上述過程。,109,圖114表明，對于同一臺三缸單作用鉆井泵，在其它條件相同時，安裝吸入空氣包，可以使吸入總管中的壓力波動幅值降低8倍左右。,110,排出空氣包的作用原理和工作過程與吸入空氣包類似。在排出過程開始階段，活塞加速，泵排量增大，大于平均排量部分進(jìn)入空氣包，使排出總管中的液體不至于被加速。而到排出末尾，活塞減速，泵排量減小，空氣包內(nèi)液體自動補(bǔ)充到排出管中，使排出總管內(nèi)液體流速平穩(wěn)。從而減小了排出總管內(nèi)的慣性水頭，使排出總管內(nèi)的壓力波動幅值降低。,111,鉆井泵的排出管線很長，如果不裝排出空氣包，其中的慣性水頭將是很大的，一臺雙缸雙作用泵的實(shí)測壓力曲線表明，不裝空氣包時，排出壓力在5.211.7MPa范圍內(nèi)跳動。而安裝空氣包后，排出壓力則在9.0-10.2MPa范圍內(nèi)變化。被動幅值減小約82。,112,2.空氣包的結(jié)構(gòu)早期采用的空氣包是厚壁圓筒形，有的則是用套管制造的，工作前其充滿常壓空氣。這種常壓式空氣包體積大，效果有限，且液體與氣體直接接觸，高壓下易溶于液體而被帶走。連續(xù)工作時，氣體逐漸減小，甚至失去作用。,113,現(xiàn)