钻井泵空气包的体积计算

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1、维普资讯http://www.cqvip.comI●，．，第17卷第4期石油被Vo1．1，N0．41989年4月CMAPr。1989钻井泵空气包的体积计算石油太学机械系研完生部任建民一、问题的提出往复式钻井泵的排量变化引嚣泵输出压力的高频波动，这对泵及管线系统的寿命奔辗大影响。为了保护钻j一I一设备及浦足钻井工艺的要求，在泵的排出口处安置具有减振、缓冲、稳流作用的空气丑。目前矿场上使用的空气包大部分为球壳胶囊式，以压缩气体为储能元件。空气包的作用对泵的工作效能影响基大。为了建立空气包的体积计算公式，H指导设计、制造和使用，人们已傲了大量的工作

2、文献(】)、[2)、(3)均剐此进行了论述并给出了公式。但是，笔．者认为，前述文献中的观点及论证均彳『错误，其结果亦不正确首先，空气包内气体状态的变化相当快，应按绝热过程进行汁算，而不能视其为等温过程j其次，工作气体相应于泵的工作参数一直处予较高压力：状态，应视为实际气体，而不是理想气体j另外，前述文献中还混淆了一些压力概念，公式推导过程有误。因此可以说，目前对于空气包的体积计算问题，还、没有实用的公式种可靠的参考数据。为此，笔者按实际气体的真实绝热过程，遵循热力学理论，分析论话空气坦的体积汁算问题，并用数值计算方法，针对具体型号、处于确定工

3、况下的钻井泵，提出空气包的台理容乇雎匹配，以便对空气包的研制~鞠使用提供可靠的依据。二、皇气包内气举油工作状态分析将空气救囊内约工作气体观为闭口系统。泵工作时气体的状态参数(如压力比容，温度等)随初始条件及泵工况变丽定。僻定胶囊内气体的初始预压力为P，初始体积为Vo，工作对最小波动压力为P}，相应的容积为V上，最大波动压力P女，榴应的容积为V。按照热力学对各种过程的定义及锗jl：泵宴际工作砖眦，应把工作气体从状态(Po、Vo)到(P：、V)逮一过程观为多变：程。当泵，始工作，且泵鹾达到额定工作压力P荥=P均的波动值的下限P时，山于压力i￡衡关

4、系(忽略胶囊的弹性变形力)，筇的压力也为P，占有体积为V女J而把空气包由从状态(PVi)到{P、V．}的变化过程视为绝热过程这一过程曲始末，是在气体从(P．1L，V)状态起，泵的弱余液量不断充入空气包腔体内，胶囊灼体积被压翁，姣气障状态快速连续变化，直到V：V女一V：Vlll(V为过程中泵的剩余演量克入空气j．’j!琦增值)，压力升高到，压缩和升压到了极限。在泵正常运转中，空气邑!恕气体状态乳(I-一、、V女}到(P±，V_I-}按绝热过程反复变化。上述的过程分析见图j。⋯Ld．⋯⋯一⋯一】⋯0奉文首蛏陈如丝教控审闽．作者¨I表斗意．维普资讯

5、http://www.cqvip.comZ石油机械第l7卷钻井泵的实际工况恶劣而复杂，排出泥浆的性能参数极不稳定，很难得出准确的量的定义。前述的理论假设只是建立在抽象的对泵工作分析及为理论计算服务的基础之上的。按这种假设进行推证，其结果与实际基本相符。q图1空气包内气体状态三、关于实际气体的理论计算问题一文献[1]中按理想气体的状态方程推导出的空气包容积计算公式噼Y一(3一1)V。=V警一不适用于处于高压下的实际气体(式中6为不均度)。对于实际气体，范得瓦尔的状态方程P：旦一一(3—2)虽然定性地说明了实际气体状态参数问的关系，但对于通常的情

6、况，理论计算结果与实际并不符合，即公式本身在定量表达上并不准确。在定量表达实际气体的状态方程中，Benedict—Webb—Rubin方程(B—W—R方程)●是一个多常数状态方程，形式为、P=+(B。RT一鲁)古+(RT—a)+=二}+式中，A。、B。、co、a、b、c、-1,和q均为经验常数，对于不同的气体它们的值是不同的。笔者拟选用此方程计算空气包容积。由前面的分析，空气包内气体的状态变化从(P太、Vl】_)到(P+、V太)是绝热过程。按热力学理论，可逆绝热过程是等熵过程。而熵是状态函数，它的值仅依赖于系统所处的状态，而与状态是如何达到的

7、无关。如果系统从状态1变到状态2，它的熵从S变到S，则熵的增量为：一．r2Jn△s2=S2一s=l～(3—4)J1L其中，热量Q是矢量，而温度T是标量。若上面的过程是绝热的，应有维普资讯http://www.cqvip.com第4期钴井泵空气包的体积计算3△St2=0(3—5)考虑图2所示的热力过程，在温熵图上，有一系列的等压线i、5、k等，从中选取4个特定的状态点l、2、3、4。设等温过程l一珀g熵变努AS。=S一S，等压过程4—3的熵变为△s。：S。一s一，等温过程3—2的熵变为AS。=S一S。，刚在整个状态循环中，从1—4—3—2—1，

8、系统的总的熵变为零，即圉2各状惠点的温一螗图AS=△SI-I-ASa+△S34-AS2l=0(3—6))，dv1。ds=CTPdT一(并)dP峨(等)d](3-9)