往復(fù)泵測試系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計

周 軍，趙君普，閆明明

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

在石油鉆采機械設(shè)備中往復(fù)泵的應(yīng)用非常廣泛，涉及石油鉆井、固井、注水、壓裂、抽油等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。往復(fù)泵的設(shè)計生產(chǎn)、制造過程、出廠測試等各環(huán)節(jié)都尤為重要，對往復(fù)泵的后期使用效果起到關(guān)鍵作用。往復(fù)泵測試系統(tǒng)對其輸入功率、流量、壓力、功率等方面進行測量，通過測試數(shù)據(jù)繪制其工作特性曲線來表明泵流量、輸入功率、效率等與泵輸出壓力的關(guān)系，也就是這臺泵的性能曲線[1，3]。本往復(fù)泵測試臺主要用于公司生產(chǎn)的高壓注水泵、增壓注水泵、注聚合物泵的型式試驗和出廠試驗。方案優(yōu)化對往復(fù)泵測試系統(tǒng)的組成、功能范圍及相關(guān)的技術(shù)要求、質(zhì)量保證、項目驗收等內(nèi)容進行設(shè)計。通過對該測試系統(tǒng)的優(yōu)化升級，解決測試系統(tǒng)目前存在的各種問題，杜絕注水泵在高壓試驗過程中的各種安全隱患[1]。

1 往復(fù)泵測試系統(tǒng)組成

（1）往復(fù)泵測試系統(tǒng)。包括主實驗平臺流程管路系統(tǒng)（4 工位各一套）、電氣傳動系統(tǒng)、控制采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、喂水泵及喂水管路系統(tǒng)等五大系統(tǒng)。

（2）測試平臺液路系統(tǒng)。包括4 個獨立實驗平臺系統(tǒng)，分別為1#、2#、3#、4#等4 個實現(xiàn)不同功率需要的被測試平臺系統(tǒng)，其主要包括低壓手動調(diào)節(jié)閥門、輸入端低壓管路及附件、輸入端管路支撐、多級串聯(lián)高壓調(diào)節(jié)閥門（組）、輸出端高壓管路及附件、輸出端出口管路支撐、輸入、輸出端管線與注水泵連接便捷調(diào)節(jié)裝置、輸入端壓力傳感器及耐振壓力表、輸出端壓力傳感器及耐振壓力表、止回閥等。

（3）電氣傳動系統(tǒng)。8 臺動力柜，總電源柜、離心泵組啟動柜、注水泵110 kW 變頻柜、30 kW 工頻柜，注水泵250 kW 變頻柜、注水泵355 kW 變頻柜、600 kW 變頻柜、外來控制柜提供電源、PLC 柜。

（4）控制采集系統(tǒng)（4 工位各一套）。包括進出口壓力、流量、電參數(shù)、潤滑油溫度、電機溫度等；振動、轉(zhuǎn)速、噪聲檢測傳感器做出可移動式。檢測元件采用DC 24 V 供電并進行有效防護，安裝位置防塵、防水、耐振、易于更換維護。通過RVVP 屏蔽電纜與PLC 輸入端口相連接，可移動檢測元件設(shè)置航空插頭，方便拆裝，現(xiàn)場檢測元件防水等級為IP67。采集的信號增加信號隔離器，防止信號相互干擾。

（5）監(jiān)控系統(tǒng)。計算機監(jiān)控系統(tǒng)界面有測試系統(tǒng)監(jiān)控總界面、單獨注水泵界面、保護值設(shè)置界面、試驗泵各種曲線顯示界面等。在操作室內(nèi)安裝1 臺32 in 液晶顯示器，5 套現(xiàn)場攝像頭（供水系統(tǒng)前置注水泵一套，1#～4#位4 套），顯示器上分為九宮格，可以進一步放大單個界面。操作員可根據(jù)需要自由切換，同時顯示不同位置畫面。在操作室內(nèi)可方便監(jiān)視供水系統(tǒng)和各試驗臺的運行狀態(tài)。主要完成對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定、試驗曲線顯示、運行狀態(tài)顯示、報警、數(shù)據(jù)處理以及打印等。

（6）喂水泵及喂水管路系統(tǒng)。包括離心式喂水泵4 臺（配置：12.5 m3/h、0.3～0.5 MPa；50 m3/h、0.3～0.5 MPa；100 m3/h、0.3～0.5 MPa；200 m3/h、0.3～0.5 MPa）、喂水泵輸入、輸出管路及附件、高壓調(diào)壓閥門、溢流閥及管路附件等；在增壓注水泵試驗時高壓喂水泵與所測試增壓泵之間用輸入端高壓管路連接。

2 往復(fù)泵測試系統(tǒng)功能

2.1 測試系統(tǒng)主要功能

能夠進行公司各型高壓注水泵、增壓注水泵、注聚合物泵的型式試驗和出廠試驗。測量采集不同工況下的流量、吸入壓力、排出壓力、電機輸入功率、轉(zhuǎn)速、噪聲、振動等各種運行參數(shù)。根據(jù)實際采集的數(shù)據(jù)，對其進行標準化處理、計算并打印，繪制流量、軸功率、泵效率、轉(zhuǎn)速和壓差等參數(shù)的關(guān)系曲線圖。配置汽蝕試驗系統(tǒng)接口，在控制柜、控制程序中安裝接口通道。

泵進行出廠試驗時，應(yīng)在額定泵速下，排出壓力從常壓逐漸上升到額定排出壓力的過程中進行。可實現(xiàn)額定排出壓力分4 個等級進行調(diào)壓試驗。每個壓力等級運轉(zhuǎn)時間不少于15 min，也可根據(jù)實際工況快速通過，并在額定工況點泵連續(xù)運行2～3 h，并能滿足新產(chǎn)品型式試驗時在額定工況連續(xù)運轉(zhuǎn)500 h 的要求。根據(jù)需要判定規(guī)定點參數(shù)是否符合標準或使用要求。

2.2 測試系統(tǒng)參數(shù)配置優(yōu)化（表1）

（1）每套流程管路進口管線最大承壓為1.5 MPa，出口管線最大承壓為50 MPa。

（2）往復(fù)泵最大轉(zhuǎn)速為500 r/min。

（3）試驗介質(zhì)是常溫循環(huán)實驗用水。

（4）測試系統(tǒng)設(shè)計充分考慮不同規(guī)格泵型的往復(fù)泵與管路系統(tǒng)進出口對接時的方便與快捷。多種變徑及調(diào)節(jié)裝置進行管路流程的進出口與泵的進出口對接，減少工人勞動強度。

（5）測試系統(tǒng)流程管路布置和整體空間設(shè)計合理，留有安全通道，并保留足夠的往復(fù)泵吊裝空間。管路流程與控制柜具有安全距離，測試系統(tǒng)四周排污溝、電纜溝、信號線溝布局合理、規(guī)范、防滑。設(shè)計加寬泵頭下方排污溝，做到能快速放空，確保地面無積水。

（6）傳感器、變送器、控制回路均采用DC 24 V 安全電壓。

（7）信號電纜溝、動力電纜溝設(shè)計分層，在電纜溝中間安裝支架，電纜放在支架上（支架上放置電纜槽）。電纜溝最底部是空的，當電纜溝進水時，水進入電纜溝后從排污口排空，有效防止電纜進水。電纜溝有預(yù)留口，防止誤操作，杜絕安全隱患。

（8）所有選用的電器元器件（包括開關(guān)柜）均應(yīng)具有3C 標識。

（9）開關(guān)柜、注水泵電機應(yīng)設(shè)置接地裝置，安裝完成后定期檢驗，可靠接地。

2.3 主測試系統(tǒng)液路配置

測試系統(tǒng)滿足不同規(guī)格型號泵的測試精度要求，在保證安全的情況下，系統(tǒng)確保2 臺往復(fù)泵同時進行的試驗需求。4 個測試系統(tǒng)位分別編號為：1#位、2#位、3#位和4#位。4 套測試系統(tǒng)輸入、輸出管線配置情況：測試系統(tǒng)1#位輸入管徑DN100、輸出高壓管徑Φ60.3；測試系統(tǒng)2#、3#號位輸入管徑DN150、輸出高壓管徑Φ88.9；測試系統(tǒng)4#臺位輸入管徑DN200、輸出高壓管徑Φ88.9。

表1 測試系統(tǒng)主要參數(shù)配置

3 4 個工位能滿足相應(yīng)泵型進行測試

（1）1#位適用泵型。3ZS-4/50、3H-8/450II、3ZS-8/44、3ZY-4/37 II、3ZY-4/48、3ZY-7/40II、3ZY-9/45、3ZJ-6/16、3ZJ-12/12、3ZS-29/13、5ZY-25/35、5ZY-40/20。進水中心高調(diào)節(jié)范圍600～1150 mm，出水中心高調(diào)節(jié)范圍600～1250 mm。

（2）2#、4#位適用泵型。5ZB-12/42、5ZB-20/43、5ZB-15/44、5ZB-20/43II、5ZJ-20/16、5ZJ-30/16。

進口中心高調(diào)節(jié)范圍400～1150 mm，出口中心高調(diào)節(jié)范圍500～950 mm。

（3）3#臺位適用泵型。除可滿足與2#工位相同的泵型進行試驗外，還需滿足5ZB-130/7、5ZB-42/40 型泵的試驗（該工位配置一套630 kW 的5ZB-180/10 型注水泵的進出口管路系統(tǒng)和測量采集裝置）。進口中心高調(diào)節(jié)范圍400～1150 mm，出口中心高調(diào)節(jié)范圍500～1050 mm。測試系統(tǒng)的高壓出口閥門進行壓力調(diào)解時需采用自動（電動或氣動）調(diào)節(jié)方式，同時也要具有手動調(diào)節(jié)方式（在自動調(diào)節(jié)方式發(fā)生故障時）進行高壓閥門的調(diào)節(jié)。每個實驗工位上的高壓閥門的設(shè)計方案應(yīng)適用公司實驗臺流量跨度的工況，選擇配置閥門的多級串聯(lián)電動調(diào)節(jié)閥具有調(diào)節(jié)壓力時應(yīng)靈活可靠，輸出壓力調(diào)節(jié)精度高（壓力調(diào)節(jié)精度小于±5%），閥門易損件壽命長，維護成本低等特點。設(shè)計上在高壓管路流量計后加裝出口止回球閥，防止更換閥門時出現(xiàn)倒流。高壓管路及零件安裝前進行靜水壓力試驗，高、低壓管路要進行表面防腐處理，噴涂流向標識，在高壓區(qū)有明顯的警示標志。

4 應(yīng)用結(jié)論

本測試系統(tǒng)優(yōu)化升級后經(jīng)過3 年運行試驗，完成了各種型號往復(fù)泵的出廠測試，也針對幾種往復(fù)泵配合研究產(chǎn)品升級，模擬現(xiàn)場不同工況，超大流量及超高壓力完成測試，為研究開發(fā)提供了一套完善的測試系統(tǒng)?？梢缘玫阶罱咏鶑?fù)泵現(xiàn)場工作條件下的運行數(shù)據(jù)，為進一步研究提供了有效數(shù)據(jù)支撐。