段塞流工况下油气增压过程中的传热特性及机理研究

The Multiphase Pumping Technology provides technical and economical feasibility when applied as an alternative scheme in exploiting deep waters and marginal fields. Up to now, multiphase boosting compare with liquid pumping and gas compressing exist great disparity in working reliability. Only through the in-depth study on the thermophysical property of multiphase boosting process, the right way of improving working reliability of the multiphase pump can be found. By heat transfer feature analysis of multiphase pump's key heated components, rotor-fluid -body fluid-solid coupled heat transfer simulation model for multiphase pump was constructed. With the coupled simulation model, heat transfer of stable working state, periodic transient working state and exchanging working state were simulated. The effecting mechanism of working state on the heat transfer and thermal status of the multiphase pump will be uncovered. On the basis of investigation on heat transfer and thermal status inside the multiphase pump, mechanism of increasing the working reliability of the multiphase pump through optimizing geometry parameters will be proposed. The completion of this project will provide theoretical support for increasing the working efficiency of the multiphase pump, profile generation and meshing clearance design, also give a new way to study the subsea multiphase transportation technology.

以双螺杆油气混输泵为核心设备的多相混输技术是近年来发展起来的一种高效、经济的油气开采方式。但从现场使用情况表明，双螺杆混输泵在段塞流工况下的运行可靠性差，成为制约其进一步推广应用的瓶颈。本课题拟对双螺杆油气混输泵在段塞流工况下的内部传热特及机理进行研究，建立油气增压过程的流固耦合传热模型，分析稳态及瞬态传热及热聚集问题，揭示在段塞流工况下双螺杆油气混输泵的压力建立过程及温度徒升规律，为双螺杆油气混输泵适应段塞流工况的转子型线设计、系统优化设计提供理论依据，并给出适应超常工况的混输泵设计原则，从理论上诠释提高双螺杆油气混输泵在段塞流工况下运行可靠性的途径。本课题的研究对促进双螺杆油气混输泵在我国油气田开采工艺过程中的应用，提高油气田开采效率、延长油井寿命具有现实意义。

通过建立高含气率工况下油气混输增压过程的流固耦合传热模型，探索高含气率工况下油气混输增压过程的传热特性，数值分析稳态的油气增压过程，以及变工况的瞬态增压过程分析；同时针对不同含气率情况下，尤其是在高含气率下，研究油气混输增压过程的的温度分布特性；通过欧拉模型及相界面追踪模型研究油气混输增压过程的相分布特性，从而研究段塞流工况下热聚集问题。.随着基元容积向出口腔运动，工作腔内流体压力升高、压力增长速度加快。随着含气率的升高，初始时双螺杆多相混输泵内压力的变化曲线越来越陡峭，达到一定值时，尤其是高含气率情况下，曲线又趋于平缓。入口压力越小，压力变化曲线曲率越大。压差越大，双螺杆多相混输泵内基元容积的变化曲线越陡峭，压力变化越剧烈，双螺杆泵的容积效率越差。转速越高，泵内部的压力变化曲线越陡峭。转速较高时，气、液相分布散乱，但总体呈现出气体主要分布在流动通道中心线内侧，液体主要集中在中心线外侧的分布。转速较低时，容易行程段塞流，分层流，气相处于上侧，且通过弯道时候，气相容易向内侧聚集，气相的汇聚容易导致热聚集。.在靠近出口端的温度最高，入口段的温度最低；转子进出口处的温度都与该处的介质温度存在温差，较大的温差产生不一样的热变形。出口的热变形相比靠近进口的转子明显较大。在介质含气率小于95%情况下，通过齿根的泄漏量最大，其次是齿顶泄漏，齿侧泄漏量最小；当含气率大于95%以后，齿侧泄漏量超过了齿顶的泄漏量，成为影响混输泵容积效率的主要因素。随着进口含气率的增大，从进口吸入到双螺杆混输泵内的进口流量基本不变，而泄漏量则不断增大，含气率在50%以下时变化较平缓，当含气率大于80%后，增幅非常明显。通过合理的间隙优化，可使得油气混输增压泵在保证不卡死的前提下性能有所提高。