输送含磨砺性颗粒浆液用射流泵应用设计

曹守彬

(苏盐井神 江苏瑞洪盐业有限公司，江苏 淮安 223114)

1 前言

以矿井岩盐为原料的无机物提纯生产企业中，卤水净化后产生的钙镁泥是燃煤锅炉烟气湿法脱硫的优质原料。烟气湿法脱硫后的浆液在分离出可利用的石膏后，渣浆液可进入高压注井系统注入超深地下岩盐腔内沉降，循环利用水资源和部分有用物质。为了保证井壁和溶腔的地质安全，注水系统管道内需始终保证一定高压。该渣浆液中常含有具有磨砺性的坚硬颗粒物。这种情形下使用多级离心泵或柱塞泵往往不能满足生产要求。

用高压离心泵或柱塞泵泵出的清水作为动力源，用单级或多级射流泵汲取含磨砺性渣浆液注井，可避免运动部件频繁损坏和流道复杂的泵腔受到破坏。

单级射流泵的排出压头往往达不到高压工况需求，可采用进水并联出水串联的多级射流泵。

文章就采用双级射流泵与单级射流泵作对比分析，得出双级射流泵在特定工况下的优势，进而作核心工艺参数计算。同时阐述双级射流泵系统装置的操作优化方法以及核心件的制作方案。

2 单、双级射流泵的工作效能比较分析

2.1 射流泵的基本性能参数

射流泵的流量比：

(1)

射流泵的压力比：

(2)

射流泵的水力效率：

(3)

射流泵的面积比：

(4)

2.2 射流泵的基本计算依据和计算结果

根据参考文献[1]进行综合计算。

双级射流泵最高水力效率点的流量分配比计算结果：

(5)

2.3 双级射流泵第二级泵出口的压力值

理想流量比值计算式：

q0=(5m-0.944 5)2-1.75

(6)

理想压力比值计算式：

h0=2.667-0.002 53(m+26.07)2

(7)

与流量比相关的压力比计算式：

(8)

式中：φ——流速系数，取值0.94。

双级射流泵第二级泵出口的压力值计算式：

p出水2级=p出水1级+p出水2级=h1级·p进水+h2级(p进水-p出水1级)

(9)

进一步推导得出：

p出水2级=[(1-h2级)h1级+h2级]p进水

(10)

式中:p出水2级——双级射流总出水压力；h1级——双级射流泵中第一级泵压力比；h2级——双级射流泵中第二级泵压力比；p进水——双级射流总进水压力。

2.4 用图表比较单、双级射流泵的工作效能

根据射流泵的排出压力P出水与射流泵的面积比m反向相关的原理，分析得出两级射流泵均应采用较小的喉嘴面积比，二级射流泵的喉嘴面积比小于一级喉嘴的值，目的在于一级射流泵侧重于较高吸入比，二级射流泵侧重于较高排压比，以求满足高排压结合效率最优的向超厚地下岩层填充沙浆用双级高压射水泵的设计和应用。

针对工作水源压力10 MPa,注井压头不得低于6.5 MPa的某工况，用Excel反复试差计算,确定采用单级射泵的面积比为2.2～2.3,采用双级射流泵的第一级泵的面积比为2.9～3.1,第二级泵的面积比为2.2～2.3。再利用Excel对单级射泵(m=2.25)与双级射泵(m1=3,m2=2.25)出口压力在流量比步长为0.047的情况下，进行逐点计算，绘制出曲线图，作相同供水源的工作状态对比。

(1)单级射泵(m=2.25)与双级射泵 (m1=3,m2=2.25) 第二级泵出口压力比比较见图1。

图1 出口压力比比较

由图1得出流量比q≤0.193时，双级射流泵的出口压力比高于单级射流泵的出口压力比，即p出水2级≥p出水单级。

在工作水流量压力相同的情况下，当流量比控制较小(或需求较小)时二级射流泵可获得更高的出水压力。

(2)单级射泵(m=2.25)与双级射泵(m1=3,m2=2.25)水力效率比较见图2。

图2 水力效率比较

由图2看出流量比q≤0.224时，双级射流泵的平均水力效率高于单级射流泵的水力效率。即在同样的供水源情况下，当流量比控制较小(或需求较小)时二级射流泵可获得更高的水力效率。另外从图2还可看出双级射泵在流量比q=0.125时，双级射流泵的平均水力效率最高，达0.294(按流速系数φ=0.94计算)。

3 参数设计方案

3.1 基于高排压结合效率最优的双级高压射水泵的水力设计方案

(1)在确定满足工艺需求的额定吸入流量(Q吸入)后，确定工作水流量为额定吸入流量的6倍～10倍。最优选工作水流量为额定吸入流量8倍，即Q工作-最优=8Q吸入。

(2)确定双级高压射水泵的第一级射流泵的面积比(m1)为2.5～3.3，最优选为2.9～3.1；第二级射流泵的面积比(m2)为1.8～2.5，最优选为2.2～2.3。

(3)在确定满足工艺需求的额定出水(P出水)后，确定工作水压力为额定出水的1.4倍～1.8倍，最优选为1.5倍～1.7倍。

(4)双级高压射水泵的两级射流泵进水并联出水串联，两泵之间可进行水量分配调节，实现混合液高排压结合效率最优。

3.2 基于高排压结合效率最优的双级高压射水泵的水力调节要点

在工况压力需求有波动的情况下可在双级射水泵之间进行进水流量分配调节。

当第二级射流泵出口压力不能满足要求或需要提高第二级射流泵出口压力时，降低第一级射流泵的工作水流量，保证装置的出口压力满足工艺要求，保证注井的最低安全压力要求；当第二级射流泵出口压力满足工艺要求时，力求保证第一级射流泵工作水进水流量趋向于总工作水流量的1/8，以保证总体水力效率的最大化。

4 输送含磨砺性颗粒浆液用双级射流泵应用设计

基于高出水压力并结合效率最优向超厚地下岩层填充沙浆用的进水并联出水串联双级射水泵的应用装置见图3。

输送含磨砺性颗粒浆液用进水并联出水串联双级射流泵装置由高压多级离心泵或柱塞泵及其管路系统1、工作水总流量计2、一级射水泵的进水量调节阀3、一级射水泵工作水流量计4、一级射水泵5、二级射水泵6、安全阀7、止回阀8、出水压力表及传感器9、排水管10、进料浆管路及流量计11、PLC12、工作水压力表及传感器13组成。

图3 双级射水泵

一级射水泵5和二级射水泵6可根据工作环境和精度需求，采用泵芯和泵壳分开分材制作，联合装配，便于后期更换易损件。

喷嘴、喉管及扩散管前段联合体可采用钨钢合金制作。当输送含磨砺性颗粒浆液中含有腐蚀性介质时，射水泵喷嘴座、喉管座、中联凹法兰和中联凸法兰需采用超级双相不锈钢制作。

5 结束语

在石油开采工业中，常利用射流排沙泵把井下的沙砾和稠油抽吸到地面上进行处理[2-3]。以此为借鉴，向地下输送含磨砺性颗粒浆液也可以应用射流泵装置。射流泵的核心件几何形状较简单，易用硬质合金等高硬度高耐磨且耐蚀的材料加工成型，受颗粒冲刷最严重的喉管易设计为快速更换的形式。基于高出水压力并结合效率最优的同工作水源的双级高压射水泵间能够实施进水流量分配比例调节，能够满足向超厚地下岩层填充沙浆等高压工艺管路输送磨砺性渣浆溶液的需求。