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螺旋轴流式多相泵性能剖析与立式结构创新设计研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在石油与天然气等能源开采领域，多相混输技术正逐步成为行业发展的核心趋势之一。传统的油气输送方式，往往需要将油、气、水等多相介质进行分离后再分别输送，这不仅需要庞大且复杂的设备体系，如分离器、缓冲罐、多个输送泵等，还会导致高额的建设成本、运营成本以及维护成本。而且，分离过程中的能量消耗也不容小觑，这在一定程度上降低了能源利用效率。此外，分离设备占地面积大，对于海上油田、沙漠油田等特殊环境的开发来说，空间资源的限制使得传统输送方式面临更大挑战。

多相混输技术的出现，有效解决了这些问题。它能够将未经分离的油、气、水等多相介质通过同一管道进行输送，极大地简化了工艺流程，减少了设备数量和占地面积。以海上油田开发为例，采用多相混输技术可以减少海上平台的设备安装空间，降低平台建设成本，同时减少海底管线的铺设数量，降低铺设难度和成本。在降低能耗方面，多相混输技术避免了多次分离和泵送过程中的能量损失，提高了能源利用效率。据相关研究表明，采用多相混输技术可使基本建设投资费用降低约40%，这为油气田开发带来了显著的经济效益。

螺旋轴流式多相泵作为多相混输技术中的关键设备，具有独特的优势。其结构设计紧凑，占用空间小，特别适合在空间有限的环境中使用，如海上油气开采平台、井下开采设备等。对固体颗粒具有良好的适应性，这使得它在处理含有杂质的油气水混合物时表现出色。在一些油田开采中，油气水混合物中会含有泥沙等固体颗粒，螺旋轴流式多相泵能够稳定运行，不易出现堵塞等故障，保证了输送过程的连续性。在高含气率（0%-93%）的工况下，仍能保持良好的增压效果，甚至在短时间内可在100%气体下运行，这一特性使得它在不同的油气开采场景中都能发挥重要作用。

通过对螺旋轴流式多相泵进行深入的试验研究，可以更全面地了解其在不同工况下的性能表现。研究不同气液比例、转速、进口压力等因素对泵的效率、扬程、流量等性能参数的影响，为泵的优化设计和实际应用提供科学依据。在实际应用中，根据不同油田的油气水比例、输送距离、压力要求等条件，可以参考试验研究结果，合理调整泵的运行参数，提高泵的工作效率，降低能耗，从而提高整个油气集输系统的运行效率和经济效益。

对螺旋轴流式多相泵进行立式结构设计具有重要的现实意义。在一些特殊的应用场景中，如深井开采、水下采油等，立式结构能够更好地适应环境需求。在深井开采中，立式结构可以减少泵的占地面积，便于安装和维护，同时可以利用重力作用，使介质更顺畅地进入泵体，提高泵的吸入性能。而且，立式结构设计可以有效解决传统卧式结构在某些工况下存在的问题，如卧式结构在高含气率工况下容易出现气液分离不均匀的情况，而立式结构可以使气液在泵内更均匀地混合和流动，提高泵的输送性能。良好的立式结构设计还能提高泵的稳定性和可靠性，减少振动和噪声，延长泵的使用寿命，降低维护成本。

1.2国内外研究现状

国外对螺旋轴流式多相泵的研究起步较早，技术相对成熟。早在20世纪后期，欧美等发达国家的科研机构和企业就开始对螺旋轴流式多相泵展开深入研究，并取得了一系列重要成果。一些国际知名的石油装备制造企业，如德国的KSB公司、美国的Flowserve公司等，已经成功开发出多种型号的螺旋轴流式多相泵产品，并广泛应用于陆地和海上油田的实际生产中。这些产品在性能、可靠性和稳定性等方面都达到了较高水平，能够满足不同工况下的油气多相混输需求。

在研究方面，国外学者通过大量的实验研究和数值模拟，对螺旋轴流式多相泵的内部流动特性、性能预测模型、气液混合机理等方面进行了深入探讨。通过实验测量和分析，揭示了泵内气液两相流的速度分布、压力分布以及能量损失等规律，为泵的优化设计提供了重要的实验依据。利用先进的数值模拟软件，建立了高精度的多相流模型，对泵内复杂的流动现象进行了详细的模拟和分析，预测了泵在不同工况下的性能表现，为泵的设计和改进提供了理论指导。

国内对螺旋轴流式多相泵的研究相对较晚，但近年来也取得了显著进展。自20世纪90年代起，国内一些高校和科研机构，如中国石油大学（北京）、西南石油大学等，开始针对螺旋轴流式多相泵展开系统性研究。在国家自然科学基金、863计划等科研项目的支持下，研究团队在泵的输送机理、结构设计、性能预测和实验研究等方面取得了一系列重要成果。

中国石油大学（北京）从1996年开始研究螺旋轴流式多相泵，先后完成了三代原理机的性能试验研究。在叶片选型、扬程估算、性能预测模型的建立以及内部流动规律研究等方面都达到了国内领先水平，部分理论研究与设计方法已接近国际水平。通过对多相泵内部流动的数值模拟和实验研究，分析了叶轮进口气体体积分数、叶片安放角、叶片厚度、叶片包角等因素对泵性能的影