海上注水泵数值计算和性能优化分析

朱浩波，朱传智，张 哲，宋 健

（中国石油渤海石油装备制造有限公司钻井装备公司工业泵制造厂，天津 300280）

0 引言

注水泵作为海上平台的重要设备，用来向海底地壳灌注高压水，保持地层压力，根据采多少油、注多少水的原理，一边采油、一边注水，如果缺少高压注水泵，难以开展海上采油作业。由于油田区块注水开发不断调整，油田整个生命周期内的注水流量改变范围及其注水压力均比较大，直接影响着注水泵的选型。注水泵作为主要的能耗设备，耗电量约为生产用电的30%。为提升海上油气开采速度及效率，设法缩短开发周期、减少开采所用成本，需要尽量降低投入成本及能源消耗，达到节能减排的效果。选取某海上平台离心式注水泵开展优化设计，依托前处理软件进行干预，对多级泵结构提供相应的数据及理论支持，不仅可以缩短研发周期，也能在一定程度上节约成本。

1 海上平台注水主要特点

海上平台注水流程较为简单，配水操作依靠简单的节流阀进行，简化为水源井—注水泵—节流阀—注水井的模式。管网采用较为简单的枝状管网，所用注水管线短，从注水泵到井口管损较小。同时，注水井各井口间设定的间距较小，各井口节流阀前压力是相等的。为满足井口压力的注水井相关要求，使得井口压力偏小的注水井处于配水器处节流损伤更大。

海上平台注水有以下特点：①注水流量波动范围比较大且注水压力处于恒定状态，选取某个海上油田注水指标为对象，注水流量处于5～288 m3/h，变化范围比较大（表1）[1]；②注水工况小部分年份出现高扬程、小流量的工况，对注水泵选项及其正常运行产生不利影响。

表1 某海上平台注水指标

2 注水泵结构及强度计算

2.1 注水泵结构分析

注水泵通常安装于海洋平台或者陆地平台上，所处位置偏僻、条件比较恶劣，泵结构设计显得尤为重要。多级泵是指2只或超过2只叶轮的泵，能够分段开展多级次吸水及压水，将水扬到比较高的位置，可按实际需求扬程逐级增减水泵叶轮。多级泵由于扬程需要应配2极电机，或通过增加叶轮个数来配用4极电机，有效提高泵使用寿命和降低机组噪声。如果泵实际需要扬程＜125 m时，可依据泵价格（多级泵一般比单级泵价格偏高）等因素综合考虑该选用单或多级泵[2-3]。

多级离心泵常用在矿山排水、工厂供水等领域，农业灌溉中使用的较少，只适合用在高扬程、小流量山区提水解决该地区人畜饮水问题。多级离心泵主要类型为立式和卧式，这两种离心泵泵轴均设置可以串联2个以上的叶轮，其与常规的单级离心泵比较，能够达到高扬程需要。与活塞泵、隔膜泵等相比，支持泵送较大的流量[4]。多级离心泵工作效率较高，可以达到高扬程、高流量工况，广泛应用到建筑、消防、石化等领域。

多级离心泵由于自身的特殊性，与单级离心泵比较，其从设计、应用、维护等方面均有更高的要求。但由于在使用时忽视细节或考虑不周到，导致多级离心泵投入使用后频繁出现异常、抱轴等事故，严重情况下引起停机。通过分析已有的多个水力模型并借鉴相对成熟的设计经验，对多级泵进行水力设计。

按照实际的工况要求与以往经验相结合，泵整体使用首级双吸、次级单吸的模式，泵进口端使用流线型分水设计，确保其可以顺利绕流不会构成旋涡。注水泵选用10级叶轮设置180°对称式双涡室，相当于多个离心泵串联，一级一级增压，可获得较高的压头。叶轮独立定位，确保分节流量调节不会降低泵压力及效率。

为保证所配置的零件拥有较好的耐腐蚀性，进出水段采用铸造件机构，能在一定程度上降低中间工序因材料腐蚀带来的不良影响。吸入、吐出段均使用简单结构，便于进行一系列的应力计算。转子部分由叶轮、平衡毂等零部件组成，叶轮与轴设计为热套装结构，有助于增加转子的刚性。叶轮入口面向吸入端依据顺序进行排列，依托卡环嵌入至轴槽中，确保轴向定位。

注水泵导叶形状较为复杂，其介质具有较高的流速，导叶损失在泵内占据比较大的比例。想要提高其工作效率，对导叶设计过程中应将结构布置考虑在内。背导叶不仅要将进出口扩散及速比情况考虑在内，还应关注导叶与下级叶轮两者间的衔接，促使流动处于平滑畅通的状态。

2.2 叶轮设计方案

现阶段，海上采油平台具有非常繁重的生产任务，为保证满足海上采油生产要求，对于注水量的需求不断增加。针对上述情况，注水泵由单台运行变为多台并联运行设计，由于每个泵出口管路特性有显著的区别，导致两台离心泵开展并联运行时均在非稳定工况条件下，在一定程度上降低注水泵的运行效率，导致其故障频发。

提水叶轮作为注水泵的关键部件，其制造情况对水泵性能及其机组稳定性产生重要的影响。为得到具有良好性能的叶型，传统方法先根据模型换算法或速度系数法对叶片截线、流道等进行计算。依据图纸制作相应的模型，开展反复试验，最终获得满足要求的叶片形状[5]。整个过程比较费时、费力，且需要耗费大量的成本。

Pro/E软件作为一款从设计到生产均达到机械自动化要求的软件，也是按照特征进行各项操作的实体造型系统[6]。Pro/E软件还设计相应的实体模型及薄壁模型的有限元网格自动生成功能，方便进行有限元分析，不同参数化应力及范围条件均能反馈在实体模型上，既支持设计人员定义参数化荷载及其边界条件。根据Pro/E软件以上特点，本文设计的叶轮三维模型均在Pro/E软件中实现。

因本次研究的注水泵缺少泵型图纸而只有实物，依托对叶轮实物展开测绘，按照已有的叶片各项数据，通过Pro/E软件为叶轮流道及叶片设计相应的三维模型（图1）。必须注意，叶轮级之间过渡流道不可过于复杂，不仅可以方便铸造，也能降低阻力损失。两端轴封侧需要设置低压级，降低轴封遭受的压力。相邻的两级叶轮之间扬程差不可过大，从而减少级间泄漏和压差。综合分析可知，这种注水泵以背靠背对称布置方法。

图1 叶轮三维模型

2.3 强度求解

轴强度：按照第四强度理论校核相关要求，当安全系数nd＜13时，必须开展疲劳强度校核，疲劳安全系数n≥[n]，[n]=1.8～2.5[7]。经过分析与计算可知，泵危险截面的安全系数为18.2，不需要进行疲劳强度校核，因此，转子组件能满足强度相关要求。临界转速：由于泵轴轴径相对较长，要尽可能降低挠度。在保证最大使用功率满足要求前提下，通过较大扭矩，叶轮轴径按照95 mm、110 mm进行设计，在确保轴长度相同基础上展开对比分析（表2）。

表2 注水泵参数对比

借助Ansys软件中的Modal分析模块对注水泵轴系进行模态分析可知：如果若叶轮轴径为95 mm，一阶临界与工作转速比较接近，不能满足使用要求；叶轮轴径为110 mm时，一阶临界转速达到4169.4 r/min；如果转速处于2980 r/min（＜0.8×4169.4 r/min）属于刚性轴，且达到使用要求。基于此，挑选叶轮轴径110 mm实施参数优化。

3 模型优化研究

必须设计多级泵流场的三维造型。由于计算机实际运行情况及操作中泵损失严重的区域为长、短过渡流道，针对这种情况，分析并计算两级长、短过渡流道区域，网格划分之后，通过CFD流体动力学模拟软件对多级泵开展三维数值求解。

3.1 短过渡流道数值结果分析

对两级短过渡流道的压力及其速度分析发现，吸入室与过渡流道中压力变化比较明显。如果叶轮与压出室耦合面周边总压比较大，出现一些高压区，靠近压出室隔板头部与隔舌周围，高压区范围比较广。分析发现，流体进到压出室后，流体动能逐渐转变为压力能，这种情况下速度不断减小，压力随之增大。不同流道流动状况相似，变化不明显。若二级叶轮接近隔板头部周围叶轮流动中流动比较紊乱，存在旋涡促使这个部位叶片工作面速度比较大。

3.2 长过渡流道数值结果

根据静压分布云图发现，吸入室和过渡流道中的压力并未出现明显的改变。分析其流线图发现，当流体顺利进入压出室后，流体动能因转变为压力能，导致速度在这个阶段随之减小，压力有所增加。对其局部进行研究可知，一级叶轮流动情况较好，流动比较均匀；二级叶轮与隔板头部更为接近，其叶轮流道内的流动比较紊乱存在旋涡，促使这部位叶片工作面速度比较大。

3.3 不同方案外特性预测对比

通过求解两级长、短过渡流道可知，这两种方案所设计扬程均能达到设计要求，与单级计算扬程比较相差较小（表3）。但这两种方案内，长过渡流道效率高于短过渡流道约2%，显示长过渡流道损失相对较小。依托改善短过渡流道模型发现，其有利于改善注水泵的整体性能。所设计的8个短过渡流道结构相同，而针对性地改变泵体结构能提升注水泵的性能。

表3 机组各项参数

4 结论

油田注水旨在保持油田能力及油层压力，达到提升供液能力、降低原油递减率的效果。文中依托对多级泵重要区域数值模拟，不断对其进行优化及性能预测，最终选定海上注水泵叶轮部位的轴径。与处于实际运行的产品相比，此次优化设计的产品性能高出国外同一参数泵的3%～5%，能够达到设计要求，为海上注水泵优化设计提供一定的参考。