螺杆泵特性曲线监测系统设计毕业论文

本 科 毕 业 设 计题 目：螺杆泵特性曲线监测系统设计学生姓名： 学 号：专业班级：机械设计制造及其自动化指导教师： 20年 月日中国石油大学（华东）本科毕业设计螺杆泵特性曲线监测系统设计摘 要随着螺杆泵在油田采油系统中的广泛应用，螺杆泵抽油系统由故障造成的经济损失愈来愈大，因此就有必要对螺杆泵的工作状况进行监测从而避免损失。针对这种情况，设计了实时的螺杆泵监测系统。该系统按 JB/T 80911998 螺杆泵试验方法以及SY/T 55492002 单螺杆抽油泵标准设计，采用 VB 编程可测试螺杆泵在不同压力条件下的流量、转速、转矩等数据，计算出转换流量、转换功率、容积效率和系统效率，然后画出螺杆泵的特性曲线。根据现场的螺杆泵运行情况来看，测试数据和特性曲线能为螺杆泵的生产以及螺杆泵的故障预防提供科学的依据。关键词：螺杆泵；特性曲线；监测系统；泵效中国石油大学（华东）本科毕业设计Design of the screw pump characteristic curve monitoring systemAbstractWith the wide application of screw pump in oil field in the system of screw pump oil extraction system, the economic loss caused by the fault is larger and larger, so it is necessary to the working condition of the screw pump is monitored to avoid loss. In view of this situation, I design the real time monitoring system of screw pump. The system includes a JB/T 8091 - 1998 screw pump test methods and SY/T 5549 - 2002 single screw pump design standards. Flow, speed, torque and other parameters of the system using VB programming and testing of screw pump in different stress conditions, the calculated flow, the switching power conversion, the volumetric efficiency and the efficiency of the system, and then draw the characteristic curve of the screw pump. According to the screw pump running situation of the field of view, the test data and the characteristic curve can provide scientific basis for the production of screw pump screw pump and fault prevention.Keywords：Screw pump；Characteristic curve；Monitoring system；Pump efficiency中国石油大学（华东）本科毕业设计目 录第 1 章 引言.11.1 研究的目的和意义.11.2 螺杆泵采油系统.21.3 国内泵井监测技术.21.3.1 生产参数经验监测.31.3.2 光杆受力测试监测.31.3.3 电参数监测.31.3.4 机械振动监测.31.4 国外泵井监测技术.41.4.1 集成智能化测试技术.41.4.2 虚拟仪器图形化测试技术.41.5 螺杆泵特性曲线监测系统.51.5.1 无线传感网络监测系统.51.5.2 嵌入式螺杆泵监测系统.5第 2 章 系统的总体设计.62.1 螺杆泵基本知识.62.3 系统设计标准.72.4 系统运行过程总体设计.72.5 系统总体结构设计.72.5.1 试验系统设计.72.5.2 数据采集系统总体设计.92.6 系统程序设计 .9第 3 章 设计的详细内容 .113.1 循环系统结构设计.113.1.1 螺杆泵的选择.113.1.2 阀的选择.123.1.3 水箱的设计.13中国石油大学（华东）本科毕业设计3.1.4 管路的设计.133.2 试验台架设计.143.3 动力系统的设计.143.3.1 电机的选择.143.3.2 电机控制系统设计.153.4 数据采集功能的实现.153.4.1 计算机的选择.153.4.2 压力变送器的选择.153.4.3 流量计的选择.163.4.4 转速转矩传感器的选择.163.4.5 采集卡的选择.173.4.6 转换器的选择.183.4.7 工业电源的选择.183.5 系统应用软件的开发.193.5.1 利用 vb 实现数据采集和存储.193.5.2 参数计算.193.5.3 曲线绘制.213.5.4 报表输出.21第 4 章 结果分析与讨论.22第 5 章 结论.24致 谢.25参考文献.26附 录.27附录 A 系统主要程序 .27附录 B 数据库 .32第 1 章 引言1第 1 章 引言1.1 研究的目的和意义随着时代的发展，传统的容积式液压泵已经不能满足现代研究以及生产的需要。这时螺杆泵出现在人们的视野中，螺杆泵比较于其它容积式液压泵，其特点是运转平稳，结构紧凑，噪音小，体积小，自吸能力强，稳量无脉动，工作寿命长等。目前常用来输送含有颗粒物质和粘度大的液体。对于螺杆泵来说，要想了解它的性能，必须了解螺杆泵的特性曲线。它是螺杆泵的实际流量、实际输入功率、总效率、容积效率和机械效率与工作压力的关系曲线。螺杆泵特性曲线是由实验得出的，当然得选定特定的油温、转速和介质等条件。目前，每年在石油行业中有许多因螺杆泵抽油系统出现故障而造成许多不必要的经济损失，因此就有必要对螺杆泵井的工作状况进行监测，以便及时了解并采取措施。而随着螺杆抽油技术的广泛运用，螺杆泵的现场应用对它的效率和可靠性要求逐渐升高。在产品出厂前，厂家必须严格检测以确保每一个产品都是合格的。由工作现场情况可知，许多螺杆泵出现抽油杆断裂、油管泄漏等原因造成的非螺杆泵故障，如过继续运行，根本无法保证，直接废弃会造成经济的损失。此时，越发的显示出螺杆泵特性曲线监测系统的重要性。因而，通过研究螺杆泵的工作特性曲线，对螺杆泵工作状况的诊断有重大作用，在泵的应用现场得到了极大的推广。总之，螺杆泵特性曲线监测系统的研究的目的，就在于监测螺杆泵实时工况，减少经济损失。研究螺杆泵特性曲线监测系统的意义，首先希望通过监测系统精确地研究判断油井是否发生故障与发生的原因，并按时提醒值班人员，采取必要手段维修处理工作设备，增长设备的使用时间，减少投入成本，实现油井的产量的提高。其次，通过空气无线通讯技术，解决老旧的监测螺杆泵的办法，例如长途检测有线通讯不变的问题，这成为了螺杆泵监测史上一个里程碑，为螺杆泵监测的发展提供了基础。还有，螺杆泵特性曲线监测系统有助于螺杆泵的应用，提高螺杆泵的使用时间，熟悉螺杆泵的使用性能。而螺杆泵特性曲线监测系统可模拟螺杆泵的实时工作情况，及时监测螺杆泵运行时的进出口压力、容积效率、流量、实测转速、实测转矩、系统效率等参数，从而绘制出特性曲线，分析螺杆泵的运行现状，方便值班人员在螺杆泵出现故障的早期发现问题，并采取措施。第 1 章 引言21.2 螺杆泵采油系统从螺杆泵的出现到现在过去了很长的时间，在 1920 年左右由一个法国人发明设计出了螺杆泵。其后，许多欧美国家开始生产螺杆泵。在 1950 年左右，一些科学家在水力电动机上应用螺杆泵的原理，这就是反过来使用螺杆泵的原理，即螺杆钻具。而最原始的钻机就是应用这种创新来实现的。之后，莫依诺原理(Moyno Theory)在钻并工业得到了极大的推广。1980 年左右，采油工业中的举升设备开始使用螺杆泵。Kois & Myers 公司则是其中的领头羊，他们开始大量生产螺杆泵，之后螺杆泵在采油举升设备领域得到了广泛的应用。从 90 年代中期起，得到广泛应用。但螺杆泵在中国的发展比较滞后，到了 1980 年后才在油田采油工业中使用，从此以后，国内众多研究单位和厂家就开始了对井下螺杆泵采油的试验和研究。进人 20 世纪 90 年代，由于科学技术的发展，螺杆泵的研究及生产取得了极大的进步。在国内就有 30 多家厂商，他们制定了很多应用规范，每年在应用现场都会有许多创新。当前，螺杆泵采油系统按驱动类型和传动形式划分，有地面驱动和井下驱动，以及皮带传动和直接传动。地面驱动采油单螺杆泵，是国内外应用最广泛和最简单的的人工举升方法，它由抽油杆、地面驱动部分和螺杆泵等部分组成，比较适合像较稠的含油气和含砂的井。但由于当前工艺设计理论不完善，不能发挥油井的生产能力，会造成资源、能源等经济浪费，因此提高该工艺设计技术水平，对推广地面驱动采油单螺杆泵的应用具有重要意义。其动力位于井底，没有抽油杆。井下驱动采油代表主要是电动潜油单螺杆泵，它是石油行业中实现井下稠油高效开采的特有设备。1.3 国内泵井监测技术基于螺杆泵的快速发展，国内在 80 年代就开始引进并用于油田生产，即使这样，国内螺杆泵发展还是较晚。虽然在螺杆泵制造及配套技术工艺上发展迅猛，但是在螺杆泵特性曲线监测技术方面相对缓慢。在引进螺杆泵之后十多年，中国就开始研究和开展螺杆泵监测技术。由于当时计算机没有现在应用广泛，那时的监测技术主要依靠产量、电流和动液面等数据为标准并辅以经验分析为主，缺少系统化的监测优化方法。国内螺杆泵监测技术研究经历了约 20 年，曾经先后运用了负载电流法、扭矩轴向力法、套管蹩压法、振动测试法等许多现场操作以人工测试为主的方法。此后，国内某研究所第一个提出了综合监测法，且研发了一套完整的系统监测故障诊断平台。根据该平台使用情况来看，此平台测试参数过少，不能满足螺杆泵工作在复杂情况时的监测。第 1 章 引言3因此，国内第 1 章 引言4发展了综合的智能监测技术。1.3.1 生产参数经验监测生产参数经验监测法属于直接测试方法，由外国一家公司当作举升工艺配套技术提出的，此技术产生在举升工艺配套技术发展之初，应用广泛，具有特别长的历史。本测试方法通过检测产量、油压、电流等参数，建立在不同工况下各参数的对应关系，从而检测出螺杆泵的工作状况，能对整个系统做出稳定性的判断。生产参数经验监测法由于易受人为因素干扰，因此不能及时的对螺杆泵运行的稳定性和可靠性得到量化的实时数据。为此，需要开发实时监测和诊断系统来满足根据现场的应用。1.3.2 光杆受力测试监测本测试法需要把传感装置装在驱动头和卡子之间，检测光杆的力矩和受力状况，然后通过无线电信号发射装置将测试信号发射出去，然后通过无线通讯将信号传输出去，并用接收设备传输到电脑中。在本过程中传感器作用是将所受的力和力矩转变为电信号，而计算机会对接收信号进行分析处理并绘制出工况曲线。此技术在 1980 年开始出现，成熟于较完善时的杆柱动力学理论。光杆受力测试监测法因为由机载充电电池提供电力，所以没法实现连续长时间的对螺杆泵的监测。1.3.3 电参数监测此技术从 1930 年左右就出现了，这是根据抽油机能耗分析而来的比较多的监测技术。监测参数包含工作时的电压、三项电流、输入输出功率和功率因数等。然后对电功率的无功分量与有功分量的规律进行分析和研究，找到螺杆泵在不同工况下各参数的对应关系。还有，就是测试部位在电控箱里，易于测试数据的采集存储和传输，比较适合长期测试和远程监控，应用前景也非常可观。1.3.4 机械振动监测此技术在 1970 年后被用于早期测试大型汽轮发电机组，在 20 年后推广到螺杆泵举升领域。它实现了对油井不同取样点的机械振动信号的采集，然后研究信号频谱的时域和频域的变化，通过去除噪声信号干扰后去算出油井在不一样的运行状况时的特征频谱，这些特征频谱能够真实、快速以及全面地反映螺杆泵运行工况。而且通过井下安装的传感仪器发出的信号，就可以得到井筒温度、流量以及油管压力等参数，而且电磁发生装置会定期发出振动信号，经由地层里的信号接收装置采集，再经过数模转化然后将信号传输给测试主机，最后达到对螺杆泵的长期监测。第 1 章 引言51.4 国外泵井监测技术很早欧美国家就开始对油井的监测以及故障诊断方面进行研究，其中由于计算机技术的突破性进展，井场监控主要利用计算机技术进行监测诊断，其中示功图法的使用率最高。1.4.1集成智能化测试技术集成智能化工况测试技术是由从美国一家公司开始的，它研究的螺杆泵测控系统，集成了许多的微小传感器器件和一起使用的硬件平台，通过安装的不同采集仪器可实时得到螺杆泵转速、出口压力、气液比、温度和油管压力等许多的数据。通过对这些信息和电动机的应用状况的分析，应用人员能精确的了解螺杆泵的工作情况，且可以得出可能发生的情况，还可以通过参数的变化调节其它因素，增长螺杆泵的使用时间和降低经济成本。外国很多公司一起研发的在定子提升短节上面的油管上安装泵井下的压力传感器和屏蔽电缆安装，通过线路传输到