导航分类

期刊集群

亮点评述

多级混流式混输泵气液两相增压特性

发布时间：2025-04-17

多级混流式混输泵气液两相增压特性

戴晓宇徐强杨晨宇苏筱斌郭烈锦

（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安 710049）

DOI：10.11949/0438-1157.20240924

摘要在高入口含气率下，混输泵的增压性能剧烈恶化，对化工生产过程的安全稳定运行构成威胁。采用surging test和mapping test两种测试方法，全方位探讨了多运行参数对三级混流式混输泵整体与级间气液两相增压特性的影响。研究结果表明，随着液相流量的提升，增压性能曲线由三个增压级性能逐级恶化导致的波纹状下降趋势逐渐消失。多级混输泵增压性能的显著恶化主要归因于首个增压级性能的剧烈下滑。提高液相流量能有效减轻气体积聚，其对增压性能的正面促进作用显著超过了流动分离带来的负面影响，因而增压随液相流量变化曲线呈现骤升趋势。提高入口压力有助于缓解气团聚集对增压性能的负面影响。

关键词泵；混流式混输泵；气液两相流；气含率；增压剧烈恶化

引用本文：戴晓宇, 徐强, 杨晨宇, 苏筱斌, 郭烈锦. 多级混流式混输泵气液两相增压特性[J]. 化工学报, 2025, 76(2): 554-563 (DAI Xiaoyu, XU Qiang, YANG Chenyu, SU Xiaobin, GUO Liejin. Gas-liquid two-phase pressurization characteristics of multistage mixed-flow multiphase pump[J]. CIESC Journal, 2025, 76(2): 554-563)

引言

混输泵是一种具有高扬程、高效率、抗气蚀等特点的叶片泵，在石油、化学、核能等工程中被广泛用于输送液相工质^[1-3]。然而，在多应用场景中，混输泵常常需要处理气液混合流体^[4-5]。当进入混输泵的气体体积分数较大或大量气团进入混输泵时，泵的性能急剧恶化，甚至失效，对生产效率和安全构成巨大威胁^[6]。因此，研究混输泵在气液两相条件下的增压性能以及性能剧烈恶化具有重要意义。

学者们研究了部分运行参数对混输泵在气液两相条件下水力性能的影响。Luo等^[7]研究了不同入口含气率下混输泵的压力波动特性。Lea等^[8]报道当入口含气率超过某个临界值时，混输泵会发生严重的喘振现象。Fu等^[9-11]研究了混输泵在气液两相条件下的增压性能，发现当进口气体体积分数（inlet gas volume fraction, IGVF）增加时，泵的增压性能会急剧恶化，并且混流式结构相较离心式结构能够更好地处理气液两相流体。Gamboa等^[12]将混输泵发生性能恶化时的入口含气率称为临界含气率；并报道混输泵的增压性能发生剧烈恶化时的流量随着转速与入口压力增加向低流量移动。Shi等^[13]将叶轮沿轴向分为三段，通过数值模拟得到不同区域的增压数据。结果表明，随着流量的增加，增压性能从进口段到出口段逐渐降低。当液相工质含有一定量的气体时，混流泵仍然具有相对较高的增压能力。但当IGVF达到一定阈值时，混输泵的增压会发生恶化，具体表现为增压骤降^[14]。Xu等^[15]通过测量混输泵的瞬态压力来研究内部气液流动。结果表明，气体聚集导致了压力波动幅度的增加，并且气团的运动与压力的波动息息相关。Monte等^[16]开展了可视化研究，观察了离心式叶轮的气液两相流动。结果表明，气团的聚集以及流动影响了混输泵的增压性能及运行稳定性。Yang等^[17]研究了多级混流泵的级间增压特性，发现级间增压恶化沿级数增加方向逐渐减弱，增加增压级数可以有效提高临界含气率。He等^[18]研究了离心式混输泵的气液两相性能，发现调节流量与转速可以改变流型，进而消除喘振现象。

叶片设计参数对泵的两相增压性能有显著影响。Ji等^[19]对三种不同叶轮叶片数的混输泵进行了外特性实验和数值模拟。结果表明，叶轮叶片数量的增加提高了泵扬程和效率，但也导致混输泵失速的早期发生，增加了泵的不稳定性。Bing等^[20]实验研究了叶片安放角度的误差对混输泵气液两相性能的影响。Ni等^[21]研究了叶片厚度对混输泵失速特性的影响。结果表明，叶片安放角与叶片厚度的小幅度改变对混输泵的增压几乎无影响，但适当增加叶片厚度及数量可以推迟失速现象的发生。

叶轮的结构主要有开式、半开式及闭式。开式叶轮的叶片伸展至轮毂外，闭式叶轮的叶片被轮毂包围，而半开式叶轮则介于两者之间，叶片部分伸展至轮毂外，部分被轮毂包围。由于开式叶轮内容易产生涡流和不稳定流动，气泡和液体的相互作用会加剧这种不稳定性，影响泵的运行效率和稳定性^[22]，因而在处理含气工质时多采用半开式及闭式叶轮。Luo等^[23]研究了气液分布对半开式混流泵性能的影响。结果表明，进口气体体积分数和液体流量是影响泵性能的主要因素。Hundshagen等^[24]分析了闭式和半开式叶轮中单相和两相流动的区别。Wu等^[25]探讨了添加上盖板对半开式离心泵水头和效率的影响。研究表明，添加上盖板能够有效地提高半开式离心泵的水头和效率。Mansour等^[26]采用闭式与半开式叶轮研究了混输泵的气液两相流的增压特性。研究表明，配备闭式叶轮结构的混输泵在较大流量下具有更好的水力性能以及更低的滞后性，有效减少了喘振现象的发生。

综上所述，关于具有闭式叶轮结构的混流式混输泵在气液两相条件下的增压特性研究仍较为匮乏。同时，对混流泵在气液两相条件下的内部流动机制的研究目前主要集中在单级结构。本研究采用surging test（固定液相流量）和mapping test（固定气相流量）两种测试方法，全面研究多参数和气液两相条件下三级混流式混输泵的增压性能及其相似性。并在此基础上研究入口压力对混输泵整体与级间气液两相增压性能的影响规律。以期为深入理解并完善混输泵的气液两相流动机制以及性能剧烈恶化机理，优化叶型结构设计提供支撑。

1 实验系统

1.1 实验环路

气液两相三级混流式混输泵实验系统（图1）主要由液相供给系统、气相供给系统、混输泵系统和数据采集系统组成，与前期研究^[27-28]所用实验环路一致。液相供给系统由水箱、离心水泵、流量调节阀以及液相流量计（型号AXG-065）组成。离心水泵对液体增压并输送，最大流量为150 m³/h。在实验中，调节离心水泵电机的运行频率和下游流量调节阀的开度来调节液相的流量。气相供给系统由空气压缩机（型号W-10/350）、高压储气瓶、气相精密调节阀（型号Swagelok SS-31RS4）、质量流量计和高压截止阀组成。空气压缩机将气体压缩并干燥后送入高压储气瓶，以保持压力的稳定性。高压截止阀被用于控制气相的通断。三个并联的气相精密调节阀被用于调节气相的流量。使用Rheonik公司生产的RHM015 GET2和RHM06 GET2型质量流量计来对气相流量进行测量。两个质量流量计的量程分别为0~0.6 kg/min和0~20 kg/min，并且精度均为0.18% FS。混输泵系统包括混匀器、三级混流泵、截止阀、气液分离器、扭矩转速仪（型号JN338-A）、变频电机和变频器（ABB公司）。在混匀器中，液体和气体被充分混合，随后进入三级混流泵，并最终流入气液分离器以实现两者分离。控制位于泵出口处的两个截止阀的开度来调节入口压力。Omega公司的T型热电偶被用于测量进出口温度。该热电偶具有0.4%的高测量精度，适用温度范围为0~200℃。混流泵的转速和扭矩则通过扭矩转速仪来测量。转速量程为0~6000 r/min，扭矩量程为-100~100 N·m，测量精度均为0.2% FS。变频电机的转速通过变频器进行调节。

图1 三级混流式混输泵测试平台Fig.1 Schematic of three-stage mixed-flow multiphase pump system

1—储液罐;2—给水泵;3—流量调节阀;4—液相流量计;5—静态混匀器;6—三级混流式混输泵;7—扭矩转速仪;8—变频电机;9—出口控制阀;10—高压截止阀;11—气相调节阀;12—空气压缩机;13—高压储气瓶;14—气液分离器

1—liquid tank; 2—centrifugal pump; 3—flow regulating valve; 4—liquid flowmeter; 5—mixer; 6—three-stage mixed-flow pump; 7—torque tachometer; 8—variable frequency motor; 9—outlet control valve; 10—high-pressure globe valve; 11—gas-phase regulating valve; 12—air compressor; 13—high-pressure gas storage cylinders; 14—gas-liquid separator

数据采集系统由8个KELLER传感器（PA-23）和NI数据采集模块（NI-9253）以及计算机构成。传感器被设置在混输泵的出/入口、三组叶轮和扩压器的出口，如图2所示。在这些传感器中，只有用于测量混输泵入口压力的传感器的量程为0~1000 kPa，其余的压力传感器的量程都是0~2000 kPa。所有这些传感器的标准测量精度都是0.1% FS。NI公司制造的NI-9253采集模块被用于采集数据。LabVIEW软件被用于处理和储存模拟电流信号数据。在稳定工况下，采样频率设定为100 Hz，采样时长为20 s，采样频次为3次。混输泵由旋转的叶轮和固定的扩压器组成。当泵轴带动叶轮旋转时，由于离心力的作用，实验流体被排挤到叶轮的外部。这个过程中，泵的机械能转为流体的动能。随后流体在扩压器内减速，因而动能会转化为静压能。作为混输泵的核心旋转部件，叶轮的三维结构如图2（b）所示。

图2 三级混流式混输泵结构图：(a)叶轮与扩压器截面及传感器布置；(b)叶轮结构Fig.2 Structure of the three-stage mixed-flow pump: (a) impeller and diffuser cross sections and sensor layout; (b) impeller structure

叶轮与扩压器的详细参数如表1所示。

表1 叶轮与扩压器结构参数Table 1 Structural parameters of impeller and diffuser

1.2 实验工况

本次实验采用surging test（喘振测试）与mapping test（映射测试）两种测试方法。surging test中，保持液相流量不变，逐步增加气相流量，直到泵发生严重性能恶化或surging（喘振）现象。surging test旨在检测泵的稳定性，特别是其稳定与不稳定运行状态的界限。它揭示了泵在性能严重下降时的入口含气率，适用于评估混输泵的稳定性。mapping test通过保持气相流量恒定，逐渐增加液相流量至混输泵失去增压能力，系统地记录泵在多种气液流量、转速和进口压力下的性能。此测试用于泵设计和研发阶段，以确定最佳工作点。实验旨在探究混流泵在不同转速及入口条件下的单相与两相水力性能。实验设定了1500~3500 r/min（3500 r/min为额定转速）的五个转速工况。液相流量范围为10~115 m³/h，重点研究了最佳效率点流量（Q_BEP）附近流量区间，即（0.6~1.2）Q_BEP。气相流量从0增至混输泵失去增压能力（最大35.83 m³/h）。入口压力设定为200~800 kPa，以保障测试安全性和设备可靠性。水力效率η的最大相对误差为1.65%，气体体积流量的最大相对误差为2.2%，入口含气率的最大相对误差为1.7%。

2 实验结果与讨论

2.1 单相水力性能

图3(a)展示了不同转速（1500、2000、2500、3000 r/min及额定3500 r/min）下，三级混流式混输泵的液相扬程和水力效率随液相流量的变化。实线表示扬程，虚线表示效率。随着液相流量增加，扬程先是急剧下降，随后缓慢降低，最后再次快速下降，这反映了入口回流和叶片附近流动分离的影响。水力效率则先升后降，初期由于涡流区域减小而提高，但过量流量会导致流动分离，降低泵的增压能力和效率。单相水力效率

的计算公式如式（1）所示：

图3 单相水力特性：(a)增压与效率随液相流量变化曲线；(b)无量纲扬程系数随流量系数变化曲线Fig.3 Single-phase hydraulic characteristics: (a) pressurization and efficiency curve with liquid flow rate; (b) dimensionless head coefficient curve with flow rate

(1)

式中，

为三级混流式混输泵总增压；

为液相体积流量；

为扭矩；

为转速。为了验证泵设计方法的正确性，计算得到扬程系数随流量系数变化曲线，如图3(b)所示。单相条件下，泵在不同转速下的无量纲扬程系数随流量系数变化曲线高度重合，表明单相增压具有相似性^[29-30]。在单相流量-效率曲线中，效率达到峰值时所对应的流量定义为最佳效率点流量，记作Q_BEP。本研究通过对获得的单相流量-效率曲线数据进行插值、拟合及求导处理，确定了混输泵在1500、2000、2500、3000、3500 r/min转速下的Q_BEP，分别为40、55、70、80和95 m³/h。

流量系数与扬程系数的计算公式如下所示：

(2)

(3)

式中，

为角速度；

为水力直径。

2.2 气液两相surging test

surging test用于界定三级混流式混输泵在气液两相条件下的稳定操作范围，有助于改善泵的运行参数，增强系统稳定性和延长使用寿命。图4展示了在入口压力为200 kPa条件下，不同转速时泵的气液两相增压性能随入口含气率的变化。由式（4）计算的入口含气率数据显示，当液相流量固定时，随着入口含气率的提升，泵的性能显著恶化，表现为增压曲线的陡降。此时的入口含气率，即泵增压能力急剧下降的点，被定义为临界含气率。液相流量增加时，临界含气率降低。这是因为较高的液相流量导致流体速度增加，易于在叶片区域产生流动分离，从而降低泵的增压效果。同时，气体压缩程度减少，降低了气体的跟随性。

图4 Surging test气液两相增压特性Fig.4 Surging test gas-liquid two-phase pressurization characteristics

(4)

式中，

为气相体积流量。当液相流量较小时，可以看到增压曲线呈现波纹状下降趋势。随着液相流量的增加，泵的增压性能逐渐减弱，因而叶轮内气体的实际体积分数上升，增压曲线失去了原本的波纹状特征。当液相流量进一步增大，气体更为迅速地聚集，导致泵的性能进一步恶化。

泵的增压随着转速的升高而增大。在叶轮内部，气体受到的压缩程度更加强烈，使得气体不易发生聚集，因此临界含气率得以提高。surging test中，液相流量一致时，三级混流式混输泵在不同转速下的增压曲线具有相似的下降趋势。

为了进一步分析混输泵的增压性能发生剧烈恶化，即增压随入口含气率变化曲线出现骤降趋势的原因，绘制了不同转速下各增压级的增压随入口含气率变化曲线，如图5所示。在三个不同转速下，首个增压级的性能皆出现了显著的恶化，如图中虚线圆圈所标注，这是混输泵的性能出现严重恶化的主要原因。而当液相流量较低时，第二个增压级的增压性能仅呈现小幅度骤降，但随着入口含气率的继续增加，其性能迅速下降。随着含气率的提升，这三个增压级的性能依次出现了严重退化，导致了图4中流量较低时出现的波纹状下降趋势。当液相流量较大时，下游的两个增压级几乎在入口含气率约为12%时同时发生性能恶化，因而增压曲线失去了波纹状下降趋势。

图5 单级增压特性Fig.5 Pressurization characteristics of each booster stage

由上文可知，混输泵内气液两相流体具有时空分布的不均匀性和变化的多复杂性。相较于单相流体，混输泵在增压气液两相流体过程中的行为规律和特性表现出显著差异^[31]。因此，研究混输泵在气液两相条件下的增压相似性，对于促进多相混输泵增压机制的理解及其设计优化的进程，具有极其关键的作用。类比单相流量系数与扬程系数，假设气液为均质流体，定义了两相条件下的流量系数与扬程系数，公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中，

与

分别为液相与气相的密度。由图4得知，当液相流量相同时，混输泵在不同转速下的增压随入口含气率变化曲线具有相同下降规律。图6展示了不同转速与液相流量下，三级混流式混输泵气液两相扬程系数随流量系数变化散点图。由图可知，液相流量与最佳效率点流量比值保持不变时，混输泵在不同转速下的气液两相扬程系数随流量系数变化特征一致，具有强相似性。其中，液相流量为最佳效率点流量时，混输泵在不同转速下的增压性能在无量纲流量系数达到4.0时经历了严重恶化，这意味着气相和液相之间的相互作用力（如曳力、湍流扩散等）在不同操作条件下没有显著差异。通过气液两相扬程系数随流量系数变化的散点图，可以较为准确地估计不同转速与流量下的混输泵性能，有助于泵的结构优化及性能提升。

图6 三级混流式混输泵气液两相扬程系数随流量系数变化散点图Fig.6 Scatter diagram of the gas-liquid two-phase head coefficient of the three-stage mixed-flow multiphase pump with the flow coefficient

2.3 气液两相mapping test

mapping test绘制了三级混流式混输泵在气液两相流动下的完整性能曲线，可以全面了解泵在不同气液比、流量和转速下的增压性能。当气相质量流量保持不变时，三级混流式混输泵在不同转速下的气液两相增压随液相流量变化曲线如图7所示。当Q_a较小时，泵的增压随液相流量变化曲线出现了骤升点。这是由于当气相流量保持不变时，增加液相流量实际上等同于减小了入口含气率。这一变化减轻了叶轮内部的气体积聚，从而消除了泵增压性能的剧烈恶化现象。这一过程与图4中泵的增压随入口含气率的减小而增加相对应。虽然混输泵的增压性能随液体流量的增加而降低，但因消除剧烈增压恶化而提升的增压幅值大于因增大液相流量而降低的增压幅值。因此，mapping test图中，增压曲线会出现骤升趋势。当气相质量流量增大时，增压随液相流量变化曲线的骤升趋势消失。这是由于在当前气相质量流量下，即使增加液相流量值最大，入口含气率仍大于临界含气率。随转速增大，泵在较高转速下具有更大增压能力，气体具有更强跟随性，因而增压随液相流量变化曲线的骤升点对应液相流量减小。

图7 Mapping test气液两相增压特性Fig.7 Mapping test gas-liquid two-phase pressurization characteristics

2.4 入口压力对混输泵整体与级间气液两相增压性能影响

图8(a)展示了入口压力为200~800 kPa下，三级混流式混输泵的总增压随入口含气率变化曲线。图8(b)为图8(a)中临界含气率附近曲线的局部放大图。图8(c)与图8(d)分别展示了入口压力为200 kPa与800 kPa时，不同气相流量下泵的总增压随液相流量变化曲线。由图可知，随着入口压力从200 kPa增加至300 kPa，泵的临界含气率几乎没差别。然而，随着入口压力进一步增大，临界含气率显著增大，有效扩大了混输泵的高增压性能含气率区间。气体与液体的密度差随着入口压力的增大而减小，气体的跟随性增强。除此之外，当入口压力增大时，气体更易溶于液体中，使得混合物中游离气体的比例相对减少，增大了气体聚集的难度。因此，临界含气率随着入口压力的增大而增大。泵也随着入口含气率进一步增大而表现出更强的增压性能。

图8 不同入口压力下三级混流式混输泵的总增压性能曲线Fig.8 Total pressurization performance curves of three-stage mixed-flow multiphase pump under different inlet pressures

正如前文所述，在气相流量固定时，液相流量的增加导致入口含气率逐渐下降，即增压曲线的骤升现象表明泵性能的剧烈恶化得到改善。换言之，增压曲线的骤升点对应的液相流量越小，泵发生性能剧烈恶化时对应的入口含气率越高。如图8(c)和图8(d)所示，在相同的气相流量条件下，混输泵在800 kPa入口压力下的增压曲线骤升点对应的液相流量更小，这同样表明提高入口压力能有效提升泵的临界含气率。

混输泵内气液两相流动具有复杂性，每个增压级的工作条件有所不同，从而表现出不同的水力特性。通过研究不同增压级的性能，有助于混输泵的叶型优化设计，提高泵的效率、可靠性和稳定性，减少能耗和维护成本。图9(a)、(b)分别展示了三个增压级在不同入口压力下的增压随入口含气率和液相流量的变化曲线。图9(a)揭示仅首个增压级经历了显著的性能退化，且临界含气率随入口压力升高而增加。在不同入口压力下，下游两个增压级的性能随着入口含气率增加而迅速下降，尤其是当含气率超过12%时，第三个增压级的性能急剧下降，如图中箭头所示。由图9(b)中仅首个增压级的性能曲线发生了明显的骤升，进一步说明多级混输泵呈现剧烈恶化趋势主要是由第一个增压级引起的。通过对比得知，泵在更大入口压力下的性能曲线骤升点对应液相流量更小，表明增压入口压力有效缓解了性能的剧烈恶化。

图9 三个增压级在不同入口压力与液相流量下的增压随入口含气率变化曲线Fig.9 Pressurization curves of three booster stages with inlet gas volume fraction and liquid phase flow rate under different inlet pressures

3 结论

本研究综合运用了surging test和mapping test两种测试方法，系统探讨了入口含气率、转速、入口压力等多个参数对三级混流式混输泵增压性能的影响规律。深入分析了入口含气率变化导致增压骤升现象，以及液相流量变化导致增压骤降现象的具体原因。同时，还研究了入口压力对混输泵整体及级间气液两相增压性能的影响规律。主要结论如下。

（1）随着入口含气率的增大，三个增压级的性能依次出现了严重恶化，导致了增压曲线呈现波纹状下降趋势。提高液相流量，下游的两个增压级几乎在入口含气率约为12%时同时发生性能恶化，因而增压曲线失去了波纹状下降趋势。

（2）在额定转速与最佳效率点流量下，混输泵的增压性能在无量纲流量系数达到4.0时经历了严重恶化。进一步分析各级间的增压性能揭示，多级混输泵增压性能的显著恶化主要归因于首个增压级性能的剧烈下滑。

（3）提升液相流量能有效减轻气体积聚，其对增压性能的正面促进作用显著超过了流动分离带来的负面影响。因此，mapping test中增压随液相流量变化曲线呈现出了骤升趋势。

（4）增加入口压力有助于减轻气团聚集对增压性能的不利影响，即临界含气率随入口压力升高而增加。

亮点评述

多级混流式混输泵气液两相增压特性

多级混流式混输泵气液两相增压特性

引 言

1 实验系统

1.1 实验环路

1.2 实验工况

2 实验结果与讨论

2.1 单相水力性能

2.2 气液两相surging test

2.3 气液两相mapping test

2.4 入口压力对混输泵整体与级间气液两相增压性能影响

3 结 论

你知道你的Internet Explorer是过时了吗?

引言

3 结论