基于Simulink的抽油泵泵阀运动规律仿真

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1、石油机械一32一CHINAPETROLEUMMACHINERY2011年第39卷第1期．．设计计算基于Simulink的抽油泵泵阀运动规律仿真吴建军綦耀光刘新福王霞李延祥(1．中国石油大学(华东)机电工程学院2．中石油煤层气有限公司)摘要煤层气排采作业中，低沉没度对有杆抽油泵泵阀的正常打开提出了更高的要求。通过对泵阀的开启压差进行精确计算，借鉴往复泵泵阀的理论研究成果，建立了泵阀运动数学模型与仿真模型。通过Simulink对抽油泵泵阀进行仿真，得到泵筒内的液体压力变化规律曲线、泵阀打开高度曲线及泵阀运动速度曲线。分析仿真结果认为，阀球的打开与开启压差有着重要关系，并不完全由沉没压力决定；

2、阀球的打开与有杆抽油系统的)中程、冲次及泵的结构有关，随着有杆泵抽油系统冲程或冲次的增大，泵阀的升程高度相应增大，反之减小。关键词煤层气抽油泵泵阀Simulink运动规律仿真目前，煤层气排采的主要设备是有杆泵，而煤作用力为：层气的排采工艺与石油开采工艺是不完全相同的。p=dp下+2竹煤层气是在低沉没度下开采，沉没度一般几十米，[p下+×而油井的沉没度一般都为几百米。低沉没度对有杆抽油泵泵阀的正常打开提出了更高的要求。国内外(r-粤)]rd一上(1)在抽油泵泵阀运动规律研究方面还不全面，相应的研究结果较少。笔者通过对泵阀的开启压差进行精式中p下——研合密封弦以下阀球所受的液体压确计算，借鉴

3、往复泵泵阀的理论研究成果，即往复力，MPa；泵的阀隙过流面积和阀的工作表面的计算方P——研合密封弦以上阀球所受的液体压法u』，建立了泵阀运动数学模型与仿真模型。通力，MPa；过Simulink对抽油泵泵阀进行仿真，得到抽油泵泵d．——阀球下端承压面直径，mm；筒内的液体压力变化规律曲线、泵阀的打开高度曲d：——阀球上端承压面直径，mm。线及泵阀的运动速度曲线，为研究低沉没度下煤层若不考虑阀球的惯性力，阀球的开启压差为：气有杆泵排采设备的选型和改进提供了依据。△p=P下一P上=12G／[盯(+dld：+)]1抽油泵泵阀的开启压差计算(2)式中G——阀球自重，N。抽油泵泵阀的开启和关闭对泵正

4、常工作有着重要的影响，建立合理的泵阀压差计算公式对泵阀仿2泵阀运动数学模型的建立真模型的建立至关重要。泵阀根据阀座口(密封部分)结构形式可分为3类：带护锥式、不完全对球阀运动的仿真做以下假设：①不考虑流体研合式和圆倒角式。目前主要以不完全研合式阀口结构为主。在泵筒内的摩阻损失；②假设泵内液体在各点处的对于不完全研合式阀口l3J，阀球所受的液体压力与密度相等；③不考虑阀的滞后性。基金项目：国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2009ZX05038—004)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(09CX04014A)；山东省重点攻关项目(2009GG10007008)的部分研究内

5、容。2011年第39卷第1期吴建军等：基于Simulink的抽油泵泵阀运动规律仿真抽油泵固定阀结构如图1所示。泵阀的平衡条件建立阀的微分方程，即警d：m(p)(、7)式中m——阀球质量，kg；h——￡时刻固定阀的升程，In；——固定阀的工作面积，m。根据上面建立的泵筒内连续方程，可建立固定阀常微分方程组：图1抽油泵足网结构示意I奎j鲁=(乎+，一根据泵筒内各点液体连续方程J，在t时刻，泵筒内的液体质量为：鲁)=IFp(o+)一Ip(3)式中F，，——泵筒内的圆面积，In；J1(8)。——泵的防冲距容积转换成的高度，m；——阀隙、阀球与阀座形成的体积(见图I=1)，m。。fllf：0=P。

6、在t+dt时刻，抽油泵柱塞的位移为+，l2lo=0泵筒压力变为P+dp，液体的密度变为P+dp，空L3l0=0间体积为+d，此时泵筒内的液体质量增加为：式中．——泵内液体的压力，Pa；dM=一=I(o++dx)一——泵阀的升程，m；x3——泵阀的运动速度，nr／s。(+d)】(p+)一[Fp()一]p的计算公式为：1I(+)一I一pdL+Fppdx(4)=仃r(+)+在d时间内经过阀隙流人泵筒的液体质量为：W(2R一2R—r)×d=／2Ip~-pl_pd(5)(+)一式中Ps——经过阀的液体密度，kg／In。；——固定阀隙的过流面积，in；——流量系数，通常取0．6～0．8；——系数，当

7、P一P>10时，8=1，当P一P<0时，占=一1。在d时间内泵筒内的液体质量增量应等于通过阀隙流人泵内的液体质量，即dM=dM。由此可得泵内流体连续方程。泵筒内的液体压力P与密度P之间具有一定的函数关系，即P=_厂(P)，则上述方程可表示为：ddp=(~／21Ps-pl一+pdL一誓)×(10)式(8)中固定阀的工作面积可由下式计算：—————I_—————_(6)[)一]一=竹r假设固定阀沿阀座的中心线做直线运动。根据{+[+2惫