王興燕,李萌,程騰飛

(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院北京石油機(jī)械廠(chǎng),北京 102206)

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21411.1-2014在螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)中的應(yīng)用

王興燕,李萌,程騰飛

(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院北京石油機(jī)械廠(chǎng),北京 102206)

螺桿泵是一種水力容積式泵,廣泛用于石油開(kāi)采、介質(zhì)輸送等場(chǎng)合.螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)是檢測(cè)螺桿泵水力性能的關(guān)鍵設(shè)備,通過(guò)工況模擬,采集螺桿泵的技術(shù)參數(shù),為螺桿泵的合理應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考.北京石油機(jī)械廠(chǎng)根據(jù)多年螺桿泵的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21411.1-2014對(duì)螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)提出的新要求,建設(shè)了新型螺桿泵試驗(yàn)臺(tái).新型試驗(yàn)臺(tái)為適應(yīng)工況需要,采用油、水兩套試驗(yàn)介質(zhì)系統(tǒng);在夾持系統(tǒng)上采用全自動(dòng)液壓控制,大幅提高了工作效率; 操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用基于PLC的測(cè)控系統(tǒng),取參準(zhǔn)確快捷,并且增加了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,使試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)化程度大大提高.

螺桿泵;GB/T 21411.1;試驗(yàn)臺(tái)

我國(guó)于2012年開(kāi)始對(duì)ISO15136-1:2009進(jìn)行采標(biāo),并于2014年發(fā)布了GB/T 21411.1-2014《石油天然氣工業(yè)井下設(shè)備-人工舉升用螺桿泵系統(tǒng) 第1部分螺桿泵》,該標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)9章14個(gè)附錄,涵蓋了螺桿泵設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)確認(rèn)、生產(chǎn)和數(shù)據(jù)控制、性能評(píng)價(jià)、維修、操作和貯存的相關(guān)要求,成為人工舉升用螺桿泵產(chǎn)品的關(guān)鍵驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn).標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于螺桿泵的關(guān)鍵檢測(cè)設(shè)備螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)也提出了較詳盡的要求,螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)是檢測(cè)螺桿泵水力性能的關(guān)鍵設(shè)備,所以有一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的功能齊全、性能可靠的試驗(yàn)臺(tái)十分必要.

1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的要求

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21411.1-2014對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的要求主要集中在附錄E性能評(píng)價(jià)中.水力性能試驗(yàn)的目的是在特定轉(zhuǎn)速、溫度和壓差條件下,用指定的介質(zhì)測(cè)量螺桿泵的流量和扭矩.標(biāo)準(zhǔn)指出,關(guān)鍵輸入?yún)?shù)應(yīng)是可控的,流量、扭矩等輸出參數(shù)應(yīng)達(dá)到一定的測(cè)量精度.

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)中給出了試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.

1.2 儀表精度

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)所需的儀表精度提出了要求,測(cè)量壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、流量、泵扭矩的測(cè)量?jī)x表的測(cè)量精度均要求在±5%內(nèi).

表1 螺桿泵臺(tái)架測(cè)試參數(shù)要求

1.3 測(cè)試參數(shù)要求

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試參數(shù)提出了要求,見(jiàn)表1.

2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

北京石油機(jī)械廠(chǎng)根據(jù)以往多年生產(chǎn)檢測(cè)螺桿泵的經(jīng)驗(yàn),開(kāi)展了新型螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè),并在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮GB/T 21411.1-2014對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的要求.

2.1 試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要制定的螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)如表2所示.

表2 新型螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

新型螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)主要包括以下部分:主驅(qū)動(dòng)裝置、油加載裝置、水加載裝置及電控系統(tǒng).

主驅(qū)動(dòng)裝置集成在平臺(tái)上,如圖2所示,由電機(jī)、聯(lián)軸器、減速箱、動(dòng)密封裝置、撓性軸及夾持裝置等構(gòu)成,為螺桿泵提供動(dòng)力,使螺桿泵轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn),從而將液壓介質(zhì)吸入排出.

圖2 主驅(qū)動(dòng)裝置示意圖

電機(jī)選用ABB強(qiáng)冷式變頻電機(jī),無(wú)級(jí)調(diào)速,電機(jī)內(nèi)帶編碼器,可以實(shí)現(xiàn)精確控制,方便快捷地根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定轉(zhuǎn)速,獲取不同轉(zhuǎn)速下的螺桿泵水力性能.

減速箱采用SEW斜齒輪一級(jí)減速器,可以滿(mǎn)足測(cè)試扭矩的要求,輸出端連接扭矩傳感器用于扭矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)量.

為了滿(mǎn)足螺桿泵轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)偏心回轉(zhuǎn)的需求,設(shè)計(jì)撓性軸并固定連接在試驗(yàn)臺(tái)上,不用頻繁更換,減小勞動(dòng)強(qiáng)度.

夾持裝置包括定子固定夾緊鉗1組,移動(dòng)夾緊鉗1組,水平調(diào)整油缸1組,高度調(diào)整鉗2組及轉(zhuǎn)子夾緊鉗1組.可以實(shí)現(xiàn)定子自動(dòng)夾緊及水平移動(dòng),轉(zhuǎn)子同撓軸間的自動(dòng)上卸扣等功能.夾持裝置的所有控制既可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的操控按鈕盒操作,也可在控制室內(nèi)通過(guò)微機(jī)界面進(jìn)行操作,并可通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)鎖.液壓站設(shè)有安全閥以防系統(tǒng)壓力過(guò)載.

為了適應(yīng)不同介質(zhì)測(cè)試的需要,新型螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)準(zhǔn)備了兩套加載系統(tǒng):油加載裝置和水加載裝置.加載裝置采用電液比例調(diào)節(jié)加載方式,可以精確控壓,加載壓力可以利用微機(jī)界面進(jìn)行操作;主系統(tǒng)設(shè)置安全閥,作為系統(tǒng)高壓保護(hù);針對(duì)油、水介質(zhì)特性的不同,分別選用齒輪流量計(jì)及渦輪流量計(jì)進(jìn)行流量監(jiān)測(cè),為了滿(mǎn)足不同排量泵的測(cè)試要求,油加載裝置中采用兩個(gè)相同的齒輪流量計(jì)單獨(dú)或合并使用,水加載裝置中采用三個(gè)大小不同的渦輪流量計(jì)分別使用;為了能達(dá)到不同的測(cè)試介質(zhì)溫度并且控制螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)因自生熱而引起的溫升,兩套加載系統(tǒng)均配有加熱與冷卻裝置,加熱溫度4h內(nèi)可達(dá)到80℃,溫度偏差可控制在±2℃內(nèi),以盡量減小溫度浮動(dòng)對(duì)螺桿泵水力性能的影響.為了節(jié)能,油箱與水箱均采用箱內(nèi)隔斷結(jié)構(gòu),便于小排量泵測(cè)試時(shí)快速加熱與冷卻.

電控系統(tǒng)包括變頻柜、PLC柜及HMI系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、夾持裝置及加載系統(tǒng)的控制.變頻柜采用西門(mén)子S120變頻器進(jìn)行VC矢量控制,PLC柜采用西門(mén)子S7-1500PLC,PLC通過(guò)Profibus-DP與變頻柜進(jìn)行通信,通過(guò)EtherNet與HMI進(jìn)行通訊,通過(guò)AI模塊采集來(lái)自傳感器的溫度、流量、壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩及液位等信號(hào).HMI系統(tǒng)由1個(gè)觸摸屏、1臺(tái)一體式工控機(jī)及西門(mén)子最新的SCADA軟件wincc7.2組成,通過(guò)PLC獲取數(shù)據(jù),完成參數(shù)輸入、操作控制等人機(jī)交互內(nèi)容,同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔、記錄及分析.具有WEB服務(wù)器功能,用戶(hù)可以在遠(yuǎn)程客戶(hù)端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的查看(圖3).

2.3 測(cè)控界面及報(bào)表

測(cè)控界面通過(guò)一體式工控機(jī)和觸摸屏展示,能夠同時(shí)體現(xiàn)豐富的數(shù)據(jù)信息.操作通過(guò)觸摸屏進(jìn)行,簡(jiǎn)單方便,反應(yīng)靈敏.如圖4所示.

通過(guò)wincc7.2進(jìn)行組態(tài)變量和交互界面設(shè)計(jì),并且將試驗(yàn)參數(shù)存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)相應(yīng)的腳本程序可以生成報(bào)表和試驗(yàn)曲線(xiàn),直觀(guān)的查看螺桿泵水力性能情況.

圖3 電控系統(tǒng)示意圖

圖4 操控界面展示

試驗(yàn)報(bào)表的設(shè)計(jì)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行,包含標(biāo)準(zhǔn)所要求的所有內(nèi)容,包括試驗(yàn)日期、測(cè)試流體、螺桿泵定轉(zhuǎn)子編號(hào)、測(cè)試流體溫度、定子外部溫度、測(cè)試環(huán)境溫度、入口壓力、轉(zhuǎn)速、流量、扭矩及效率曲線(xiàn)等.

3 試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)中的問(wèn)題

螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)是集機(jī)、電、液于一體的監(jiān)測(cè)設(shè)備,學(xué)科綜合性強(qiáng),在試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試階段也碰到了一些問(wèn)題,影響螺桿泵的正常測(cè)試和數(shù)據(jù)采集.通過(guò)理論分析及相應(yīng)整改后,問(wèn)題都得到了相應(yīng)的解決.

3.1 定子夾持問(wèn)題

試驗(yàn)臺(tái)的預(yù)定目標(biāo)是適應(yīng)60.3～165mm不同管徑的螺桿泵定子的夾持,但在試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試階段,發(fā)現(xiàn)在夾持小直徑螺桿泵定子時(shí)有夾持不緊、高壓時(shí)滑脫的現(xiàn)象.后通過(guò)分析計(jì)算,對(duì)鉗口的夾持夾角進(jìn)行優(yōu)化,可以得到有效改善.優(yōu)化后再次測(cè)試,之前現(xiàn)象消失(圖5).

3.2 空載壓力問(wèn)題

圖5 夾持鉗口示意圖

在試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)時(shí)空載壓力的指標(biāo)易被忽略,而這個(gè)值對(duì)空載壓力下的流量有一些影響,從而引起螺桿泵容積效率的偏差.對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,標(biāo)準(zhǔn)中要求給定轉(zhuǎn)速下流體空載壓力應(yīng)低于0.35 MPa,新型螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)初始調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)部分泵的空載壓力高于此值,后對(duì)液壓元件進(jìn)行了排查,加載閥有兩個(gè)流道:小比例流量閥和大比例流量閥.經(jīng)多次試驗(yàn)在小比例流量閥下空載壓力升高明顯,拆檢判斷為流道太小所致.通過(guò)控制系統(tǒng)增加了邏輯判斷功能,使此問(wèn)題得到解決.

4 試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用

試驗(yàn)臺(tái)自2016年建設(shè)好以來(lái),已累計(jì)試驗(yàn)螺桿泵400余套次,由于自動(dòng)化程度提高,安裝時(shí)間大幅縮短,除去出入口端的螺紋連接需要手動(dòng)進(jìn)行,其余均可自動(dòng)完成,安裝工作量大幅降低.測(cè)控系統(tǒng)測(cè)參準(zhǔn)確,響應(yīng)迅速,操作界面清晰友好,試驗(yàn)報(bào)表體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)要求的所有內(nèi)容,并可一鍵生成,為評(píng)判螺桿泵性能提供了有力的保障.

5 結(jié)語(yǔ)

(1)GB/T 21411.1-2014內(nèi)容翔實(shí),從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、檢驗(yàn)控制及現(xiàn)場(chǎng)使用角度講均具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義.

(2)對(duì)標(biāo)設(shè)計(jì)制造的新型螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)功能齊全 ,可以滿(mǎn)足螺桿泵出廠(chǎng)檢測(cè)的需要及國(guó)內(nèi)外用戶(hù)驗(yàn)收的需求.

(3)新型螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化程度高,安裝時(shí)間大幅縮短,安裝工作量大幅降低,有效提升了工作效率.

[1]GB/T 21411.1-2014,石油天然氣工業(yè)設(shè)備[S].人工舉升用螺桿泵系統(tǒng) 第一部分:泵,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.6.

[2]ISO 15136-1:2009,Petroleum and natural gas industries-Progressing cavity pump systems for artificial lift-Part 1:Pumps.

[3]付路長(zhǎng),周洪濱,郭力謙等.單螺桿泵試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2011,40(7):47-50.

TE933

A

1671-0711(2017)11(下)-0137-03