全金属螺杆泵机械特性与节能探讨

孙莹，张鹏

（1.大庆油田力神泵业公司，黑龙江 大庆 163000；2.大庆石油管理局有限公司松原装备制造分公司，吉林 松原 138000）

螺杆泵原来采用橡胶定子，可以很好地满足稠油开采要求，但是稠油热采的温度都比较高，可以达到200℃左右，这就对橡胶的高温耐受性提出了更高的要求，采用全金属螺杆泵得到了人们的广泛关注。全金属螺杆泵的定、转子是由特种金属材料加工制作而成，定转子之间可以实现合理间隙配合，该种螺杆泵结构设计可以有效地满足螺杆泵高温热采的要求。很多学者通过实验仿真方法来对全金属螺杆泵的性能进行分析和研究，研究的方向主要是螺杆泵排量特性，机械特性方面的研究比较少，本文将对全金属螺杆泵具备的机械特性展开分析，不对节能效果进行探讨。

1 全金属螺杆泵技术特点

该种螺杆泵运行原理和传统螺杆泵比较接近，定、转子相互间的啮合运动会在泵内部形成多个腔室，流体会由于转子的动转顺着轴向不断向前运行，实现了机械能与流体动能的转变，从而完成流体的人工举升。是把原来的橡胶定子转变为新型的全金属定子，有着很好的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性能，具有很长的使用寿命。定转子相互间隙达到以很好的配合，摩擦力较小，启动螺杆泵运行比较便利，具有很好的节能效果。

2 全金属杆泵机械特性实验

2.1 采用实验装置及实验办法

为了深入分析不同工况下全金属螺杆泵机械特性，在实验室内可以采用电机来实现对全金属杆泵的驱动，流体会随着泵体运转实现人工举升，通过测量装置后再回到池内。再采用变频器、压力控制阀来实现螺杆泵运行速度和压差的控制，采用扭矩测量仪、压力表和流量计等来实现对机械特性的测试。全金属螺杆泵型号采用在油田应用的JDGLB160-18，泵级数为18，导程达到160mm，转子直径尺寸为50mm，偏心距达到5.5mm，理论流体排量为每转176mL。实验采用的介质为清水，在常温情况下进行试验，并结合油田生产的实际条件，把压差控制在14MPa 的区间内，设计的实验方法为：

（1）重载实验，利用变频器输出频率的调节把电动机的运行速度控制在每分钟50、100、150、200 转，再应用压力调节阀来对螺杆泵出口压力进行调节，来对不同转速情况下的扭矩与压差关系数据进行采集。

（2）空载实验，把压力调节阀门处于打开状态，在工作压差为零时，利用变频器输出频率实现对转速的调节，从而对空载条件下扭矩与转速变化进行分析。

2.2 实验结果

通过重载实验方式获取到性能数据，从而得到扭矩和工作压差、转速的关系。从试验结果可以得知，全金属螺杆泵的运行扭矩和工作压差呈现出正比例线性关系，如果工作压差保持不变，扭矩跟着转速的提升而不断变大。全金属螺杆泵运行时的转子负载扭矩主要有举升流体时所需的水力扭矩，把螺杆泵具备的机械能转变为液体流动。泵体内存在的摩擦扭矩，会形成机械能的流失。因为水力扭矩可以采用理论排量进行计算，重载条件下的扭矩公式为：是螺杆泵重载条件下的扭矩，是流体举升时所需要的水力扭矩，是泵体内部摩擦扭矩，工作压力差值。重载条件下的螺杆泵内部摩擦扭矩主要来自于工作压差腔室内部液压的定转子摩擦扭矩，还有与运行速度有关的转子离心引起的定转子摩擦扭矩，转速、黏度相关的定转子间隙形成的黏性摩擦扭矩。泵体内部的摩擦扭矩与压差呈现出正比关系，压差保持不变时，会跟着转速的提升而不断变大。对性能曲线进行拟合可以看出，运行速度不同时，与工作压差相关摩擦扭矩和压差正比例系统基本相同，系数为每兆帕可为13.132 牛米，工作转速相关的摩擦扭矩与泵体运行速度也呈现出正比例关系，系数为可为0.432 牛米。

2.3 空载特性

从空载试验中，可以获取到扭矩和转速相互间的关系，如果运行速度不超过每分钟100 转，空载扭矩不会大于40牛米。空载条件没有产生工作压差，空载扭矩是由转速有关的摩擦扭矩决定。螺杆泵运行扭矩会跟着转速的提升表现出线性增长趋势，通过拟合分析可以看出，该数据结果和重载条件下的工作转速有关的摩擦扭矩和转速的关系式相同，也可以看出全金属螺杆泵定、转子间隙配合条件下，因为转子离心运转而引起的泵内部摩擦影响并不大。

3 全金属杆泵机械特性分析

3.1 轴功率和机械效率

3.2 机械特性的修正

由于全金属螺杆泵机械特性受到了工作压差、运行速度和介质黏度等方面的影响，每个生产厂家一般在额定运行速度条件下测试清水举升的特性曲线。所以，需要对特定结构方式下的全金属螺杆泵机械特性进行修正分析，可以把轴功率和工作压差的公式简化为：，公式中A 是与运行速呈现正比例关系的轴功率曲线特征量，B 是与转速平方呈现出正比例关系的轴功率曲线特征量。

特定泵型号下的清水举升特性曲线，A、B 则代表着关系曲线的斜率和截距。再考虑介质黏度的影响方面可以看出，由于工作压差的不断提高，全金属螺杆泵机械效率会快速提高，后处于平缓状态，但无法突破机械效率。不同流体物质黏度对泵体机械效率的影响可以看出，工作压差不变的情况下，机械效率会跟着流体介质黏度的提高而变小，运行速度变得越高则机械效率会变低。当前，研究人员认为全金属螺杆泵可以满足更高黏度油液的开采，通过提升运行速度来保证人工举升能力。如果流体黏度太大，会对机械性能造成影响，运行效率则无法得到保证。所以，全金属螺杆泵的应用环境和工作性能参数存在着合理区间，需要根据实际的采油情况来选用。

4 节能效果分析

全金属螺杆泵在不同过盈程度条件下与传统螺杆泵性通进行比较，泵体定转子采取过盈配合后，极限机械效率会从原来的68.08%减小到51.6%。把节能率作为分析指标，与传统螺杆泵达到以的节能效果进行比较来看。运行速度保持在每分钟100 转时，节电率会跟着工作压差的提高而减少，并达到平缓状态。低工作压差大于10MPa 时，节电率可以超过25%。但在8MPa 工作压力情况下，节电率会跟着转速的上升而不断减少，与不同过盈配合状态的传统螺杆泵进行比较来看，运行速度小于每分钟200 转，全金属螺杆泵节电率可以大于20%。