第4章 石油矿场用往复泵

3．往复泵具有自吸能力， 所以缸内即使无液体，启动也 不会造成什么影响。（ ） （×）
第二节
往复泵的参数和特性
有流量、压头和压力、功率和效率等参数。 一、往复泵的流量Q 往复泵的流量—单位时间内泵通过排出或吸 入管道所输送的液体量。单位为L/s或m3/s。 区别：排量—曲轴旋转1周，泵所排出或吸 入液体的体积。单位为L或m3。 为了进一步说明流量的问题，有必要对活塞 的运动情况进行分析。
过A1、A2对水平 线引垂线，即可得出 x，对x求导即得u， 再求导即得a。
l cos 2j l3 sin 4 j
(1 l sin j )
2 2 3
)
g
A2
O1
B1 x1
百度文库
B2
w
O
j
b
x2 O2 l
j
r A1
（往复泵活塞运动示意图）
式中，r-曲柄长度；l-连杆长度；l-曲柄连杆比 ，l＝r/l；j -曲柄转角。 求活塞向右运动时，上述各量取公式中上方 的符号，j＝0~p；反之，取公式下方的符号， j＝p~2p。 上述各式可简化为常用公式：推导略
⑴ 单作用缸的瞬时理论流量：
Qcm Fr w (sin j m
l sin 2j m
2
（单作用瞬时理论值） )
式中，m-多缸泵的液缸顺序编号。吸入时取公 式上面的符号，j =0~p；排出时取公式下面的 符号，j =p~2p。
⑵ 双作用缸：将液缸分为前工作室和后工作 室，其理论瞬时流量分别以Qcf和Qca表示。
泵 往复泵 容积泵
回转泵 齿轮泵 螺杆泵
WB型电动 往复泵
抽油泵也是一种特殊 结构的往复泵
钻井泥浆泵
二、石油矿场用往复泵 主要有：钻井泵、固井泵、压裂泵、注水泵 和抽油泵等。
1．钻井泵（泥 浆泵）：在钻井 过程中，为了携 带出井底的岩屑 和供给井底动力 钻具的动力，用 于向井底输送和 循环钻井液的往 复泵。
第四章 石油矿场用往复泵
4.1 概述 4.2 往复泵的参数和特性 4.3 往复泵的结构和特点 4.4 液压驱动及其他类型的往复泵 4.5 往复泵的易损件及配件
第一节
概述
一、泵的分类 泵是一种水力机械。将机械能转化为液体的 动能和压能。
动态泵 （速度型） 离心泵 轴流泵 径流泵 混流泵 漩涡泵 活塞泵 柱塞泵 隔膜泵
⑸ 流量有脉动； ⑹ 大流量时体积庞大。 活塞在泵缸内两端之间移动的距离称为行 程。往返一次称为冲程。 转速对往复泵的自吸能力有影响。若速度 太大，流动损失会增大，使泵缸内压力低于 液体饱和蒸气压，造成抽空现象而失去吸液 能力。
往复泵转速一般在80~200r/min之间，吸入高度为4~5m。
1．双缸双作用泵与三缸单 作用泵分别有多少个进液阀、 排液阀？ （4进4排，3进3排） 2．“3NB-1000”代表什么 意义？ （输入功率为1000马力的三缸 单作用钻井泵）
j
⑵ 确定泵输送的液体体积V 设曲柄转角变化j时，流量曲线上Q与横坐标 包围的面积为A，同时泵所输送的液体体积为V ，则：
V V V 1 A Qj V j w t
V
A
w
⑶ 检验曲柄布置是否合理 通过绘制流量曲线，可发现各缸瞬时流量是 否叠加合理，从而检验曲柄布置方案的合理性 。
二、往复泵的压头、压力、功率和效率 1．往复泵的有效压头H
3
Z1
2 pa
1
1
（往复泵压头计算示意图）
吸入与排出池一般很大，所以u1≈0，u4≈0， 且通常pk＝pa，为大气压，则：
H Z Sh
对于往复泵用于钻井时，吸 入池和排出池是公用的，即u1 ＝u4≈0，pk＝pa，Z＝0，则：
4 pk 4
Z2
3 H0 2 Z1 2 pa 3
H Sh
泵供给液体的能量全部用于克服管 路中的阻力。
x r (1 cosj
u rw (sin j
l sin 2 j
)
2 l sin 2j
2
）
最大误差不到百分之一
a rw 2 (cosj l cos2j )
为了定性分析，可认为连杆比曲柄长很多， 即l≈0，这样，还可以进一步简化各式：
x r (1 cosj）
u rw sin j
Qcfm Frw(sin j m l sin 2j m
2
2
（双作用前室瞬时理论 ) 值）
（双作用后室瞬时理论 ) 值）
Qcam ( F - f )rw (sin j m
l sin 2j m
式中，公式正负号的取法与前相同。 双作用缸总的瞬时流量为前、后工作室流量 之和。
多缸泵总流量的计算，要根据各曲柄间存在 的角位差q来决定公式中的角参数。 如三缸单作用泵的角位差q =120°，则j1=j ，j2=j+120°，j3=j+240°。 另外如双缸双作用泵的q = 90°，则j1=j， j2=j+90°。 必须以相应的 角参数代入公式 计算各液缸的瞬 时流量。
Q1
l=0.1335
Q2 Q3 3p 2
Qt Qp
3
2p 3
Q
2
Qmax
0
Qt
p
2
p
2p
j
1
p
2
p
3p 2
2p
j
（实际的三缸单作用泵）
（忽略l的三缸单作用泵）
② 通常，吸入和排出过程的流量曲线是分别 作出的，排出曲线为正，吸入为负。考虑l的 影响时，两者有一定区别。
5．流量曲线的用途 可用于往复泵的理论分析和计算，还有： ⑴ 判断流量的均匀程度 通常，往复泵在曲柄转动一周的过程中，其 瞬时排量都是变化的，最大值QcBmax、最小值 QcBmin及理论平均值Qt均可在曲线上得出。而最 大差值与平均值之比称为排量不均度dQ，以此 衡量泵排量的不均匀程度： Q(1/Frw)
N QrgH 10 Qp 10 （kW）
3 3
p为输出压强
泵本身存在损耗，即存在效率h：若动力机 输出功率为Nax，传动系统效率为htr，则泵所需 的动力机功率为Np：
Np N ax
htr

N
hhtr
（泵的输入功率）
3．往复泵的效率h ⑴ 机械损失DNm 机械损失后剩余的功率称为转化功率Ni，所 以机械效率hm为：
d Q 2单
Q
p
2
1.57
Qmax Qt
p j
1
0
p
2
p
3p 2
2p
p
Q
2
p
3p 2
2p
j
3
Q 2
4
3
p
Qmax 0
1
2p 3
Qt
2 0
Qmax
Qt
d Q3单
p 2 3 d Q 4单 p 0.141 6 液缸越多，排出流量波动越小？ 10
p 2
p
3p 2
2p
j
1
2
p
2
p
3p 2
2p
(钻井泵与泥浆净化系统)
2．（车载）固井泵：为了固化井壁，向井 底注入高压水泥浆的往复泵。 3．（车载）压裂泵：为了造成油层的人工 裂缝，提高原油产量和采收率，向井内注入含 有大量固体颗粒的液体或酸碱液的往复泵。
(车载压裂泵) (车载固井泵)
4．注水泵：向井内注 人高压水驱油的往复泵。 5．抽油泵：在采油过 程中，用于在井内抽汲原 油的往复泵。
1．活塞运动规律 活塞的运动规律就是液体的运动规律。其位 移x、运动速度u、加速度a分别为：
x r (1 cos j ) l (1 1 l2 sin 2 j )
u rw (sin j
l sin 2j
2 1 l sin j
2 2
)
a rw 2 (cos j
j
2
Q
p
1 0
Qmax Qt
4
3
Q Qmax 0 Qt
p
1 2
2
2 （双缸单作用泵）
p
p
3p 2
2p
j
3p 2 2 （四缸单作用泵）
p
p
2p
j
对流量曲线的说明： ① 上述曲线是假设活塞运动规律为严格的正 弦规律情况下做出的，即忽略了l的影响。
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
Q(1/Frw)
Ni hm Na
Na DNm Ni
N DNv DNh
⑵ 容积损失DNv 从流量角度看，泵内漏失体积为DQv，实际 流量为Q，转化流量为Qi，则容积效率hv为：
（往复泵内功率分配示意）
9
8 7 6
5
4
3 w
10 11 12
S
往复泵工作示意图 （单作用，单缸）
2
1
2．往复泵的工作原理
曲柄旋转 连杆、十字头、活塞杆 活塞往复 排出阀、
吸入阀交替开启、关闭
吸入、泵出液体
3．往复泵的分类 ⑴ 按液缸数分：单缸、双缸、三缸、多缸泵 。 ⑵ 按活塞往返一次，吸排液次数分：单作用 、双作用泵。 ⑶ 液缸布置分：卧式、立式、V形、星形泵 。 ⑷ 按活塞的构造分：活塞、柱塞、隔膜泵。
1
1
直接计算Sh不容易，简便方法是以压力表和 真空表的压力头加上两表之间高差来作为有效 水头H：
pv H H0 rg rg pg
实际中，排出压力pg高达几十MPa，而真空 压力pv和H0相对很小，所以，一般情况下：
H pg
rg
返P44
2．往复泵的功率Np 设泵的有效压头为H，重量流量为QG，则单 位时间（秒）内液体由泵所获得的总能量（即 泵的输出功率）为N＝QGH。因为QG＝Qrg，p ＝rgH，所以，泵的输出功率N为：
a rw cosj
2
所以，活塞的运动规 律即流量规律可近似看 成是正弦规律。
2．往复泵的平均流量Q —单位时间内输送的液体体积。 ⑴ 理论平均流量Qth
Qth iFSn（理论平均值）
式中，i -缸数；F-活塞横截面积；S-活塞冲程 ；n-冲次（泵速），即活塞每分钟在缸套中往 复的次数。 ⑵ 双作用往复泵的Qth
QcB max QcB min dQ Qt
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
l=0.1335
Q2
Qt
Q1
Q3 3p 2
Qp
0
p
2
p
2p
j
（dQ≈0.2/0.97＝0.21）
若不考虑l影响，一、二、三、四缸单作用 泵的dQ分别为：（与实际有误差）
d Q1单 p
Q Qmax Qt 0 2
(抽油泵)
三、典型往复泵的结构及工作原理 １．往复泵的组成 主要由液缸、活塞、吸入阀、排出阀、抽油 泵、曲柄（曲轴）、连杆、十字头、活塞杆， 以及齿轮、皮带轮和传动轴等组成。
1-曲柄；2-连杆；3-十 字头；4-活塞；5-缸 套；6-排出阀；7-排 出四通；8-预压排出 空气包；9-排出管； 10-阀箱（液缸）； 11-吸入阀；12-吸入 管
3p 3 2 1
3
2
w
0 1
j
q
p
2
（3缸往复泵曲柄相互关系示意图）
p
2
4．往复泵的流量曲线 以曲柄转角j为横坐标，排量Q为纵坐标，可 作出泵的流量曲线。
Q Qmax Qt 0 2 （单缸单作用泵） 3 2p 3 Q 2 Qmax 0 Qt 2p
p
p
3p 2
2p
j
1
p 3p 2 2 （三缸单作用泵） p
pk pa u4 u1 H Z Sh rg 2g
2 2
Z Z1 H0 Z 2
4 Z2 3 H0 2
pk
4
Sh Shs Shd
式中，pa，pk-进、出液面压力，MPa； u1，u4-进、出液面速度，m/s；Z-吸、 排液面总高度差，m；Z1，Z2-泵前、后 的高度差，m；H0-压力表与真空表之间 的高度差，m；Sh-管路中总的水头损失 ，J/N；Shs，Shd-吸、排管段的水头损 失，J/N。
变形代号 额定输入功率代号（马力或1kW/1.36）
缸数、单或双作用钻井泵代号（NB、2PN双缸双作用泵，3NB、F-三缸单作用泵）
如：NB-600，表示输入功率为600马力的双缸双作用钻井泵 。F-1300，表示输入功率为1300马力（960KW）的三缸单作 用钻井泵。
五、往复泵的特点 往复泵是容积泵的一种，其特点如下： ⑴ 具自吸能力，往复泵虽有自吸能力，启 动前不用灌泵，但实际中启动时仍应保持缸 内有液体，既能保证可立即吸排液体，也可 避免活塞干磨而损坏； ⑵ 在压力急剧变化下其流量仍能保持基本 不变； ⑶ 特别适用于小流量、高扬程情形下输送 粘性较大的液体； ⑷ 但往复泵结构复杂、易损件多；
Qth i(2F f )Sn（双作用理论平均值）
式中，f -活塞杆横截面积。 ⑶ 实际平均流量Q 考虑到实际情况，泵输送量比理论值要低：
Q aQ（实际平均值） th
式中，a-流量系数。
a =0.85~0.95。新泵可
达0.97~0.99。
3．往复泵的瞬时流量Qcm
Qcm Fu（理论瞬时值）
石油矿场广泛使用三缸单作用和双缸双作用 卧式活塞泵作为钻井泵。
各泵结构示意如下：
（双作用活塞泵）（单作用柱塞泵） （叙述各泵原理）
（隔膜泵）
（曲柄传动泵）
液压油
（凸轮传动泵）
（卧式蒸汽泵）
（水平对置式液压驱动泵）
四、往复泵的型号 我国用于石油、天然气勘探开发的钻井泵已 经标准化，形成了NB和F两大系列泵，统一的 代号为：