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双螺杆混输泵测试系统的研究 闫庆祥( 机械设计及理论) 指导教师：李增亮教授王善政高工 摘要 近年来，地面混输泵的需求与日俱增，因而对螺杆泵的运行效率 和可靠性要求越来越高。油气混输双螺杆泵所输送的介质是多相混合 物，混合物中的每一相对泵的工作特性都有独特的影响，但是起决定作 用的是液体的粘度和泵入口处的气液比。准确检测双螺杆泵的性能是保 证泵的质量及正常经济运行的基础之一。目前国内的许多试验台都采用 人工测量，不仅费时费力，而且在流量和油气混输方面也不能满足产品 出厂性能测试要求。 论文阐述了油气混输双螺杆泵测试系统总体设计的基本思想和电 路、液路、气路的实现方法。测试系统具备了混输泵的油气混输性能测 试功能、满足了大排量泵的测试要求、建立了良好的人机界面、提供了 完善的性能测试数据、设计了齐全的保护措施。测试系统用计算机进行 数据采集和处理，保证测量的实时性，提高测试精度，防止人为误差， 提高数据处理效率，及时提供试验结果。自动数据采集控制系统是现 代试验系统的发展方向，本测试系统就是基于此基础上建立起来的。应 用该螺杆泵测试系统对螺杆泵进行实际性能检测，控制方案能够满足试 验要求，为现场提供了大量的技术数据。 关键词：双螺杆泵测试系统数据采集效率曲线 r e s e a r c ho nt h et e s ts y s t e mo fm u l t i p h a s et r a n s p o r tp u m p y a hq i n g x i a n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iz e n g l i a n gw a n gs h a n z h e n g a b s t r a c t w i t l lt h em o r er e q u i r e m e n t so f t w i n s c r e wm u l t i p h a s et r a n s p o r tp u m p s ， t h er u n n i n ge f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo ft w i n - s c r e wm u l t i p h a s ep u m p sa r e r e q u i r e dh i g h e ra n dh i g h e r t w i ns c r e wm u l t i p h a s ep u m p c a nt r a n s p o r tt h e m u l t i p h a s em i x t u r e s e a c hp h a s eo ft h em i x t u r e sc a np e c u l i a r l ya f f e c tt h e p u m p sw o r k i n gp e r f o r m a n c e t h ec r u c i a la c t o r st h a ta f f e c tp e r f o r m a n c e a r et h ev i s c o s i t ya n dt h ev o l u m er a t i oo fl i q u i da n dg a sw h i c ha r ei m b i b e d f r o mt h ep u m p se n t r a n c a ：a c c u r a t ef u n c t i o ni n s p e c t i o no ft w i ns c r e w m u l t i p h a s ep u m pi sb a s e do nt h ep u m ph i 曲q u a l i t ya n de c o n o m i c a l r u n n i n gn o r m a l l y b yn o w ，al o to fd o m e s t i ct e s ts y s t e m sa r eo p e r a t e db y h a n d s i tw o u l dw a s t ea1 0 to ft i m ea n dw o r k f o r e e b u ta l s on o tm e e tt h e p r o d u c tr e q u i r e m e n t so ff a c t o r yf u n c t i o nt e s t i na s p e c t so fl a r g el i q u i d v o l u m ea n do i l & g a sm u l t i p h a s et r a n s p o r t a t i o n t h eb a s i cm e t h o d so fo v e r a l ld e s i g nw e r ei l l u s t r a t e di nt h i sa r t i c l e i n t h i st e s ts y s t e m ，t h ef u n c t i o no fm u l t i p h a s et r a n s p o r tw a sp r o v i d e da n dt h e n e e do fp u m pi n s p e c t i o nw i t hl a r g ev o l u m ew a sm e t ，t h ep e r f e c ti n t e r f a c e w a se s t a b l i s h e d t h et e s td a t u mw a sw o r k o u t ，a l lk i n d so fp r o t e c tm e a s u r e s w e r ed e s i g n e da n ds oo n a p p l y i n gc o m p u t e rt oc o l l e c tt h et e s td a t u ma n d d e a l 埘mt h e m ，c a ng u a r a n t e et i m e l yt h et e s t i n g ，i m p r o v et h et e s tp r e c i s i o n , a v o i dt h em a l l - m a d ee r r o r ，i n c r e a s et h es p e e do fd e a l i n gw i md a t u m ，a n d p r o v i d et i m e l yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a u t o m a t i cc o l l e c t i o n so fd a t u m a n dc o n t r o ls y s t e ma r et h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o na tp r e s e n t n l i st e s ts y s t e m i sf o u n d e do nt h eb a s eo fi t t h ea c t u a lc a p a c i t yo fp u m p si si n s p e c t e do n t h et e s ts y s t e ma n dt h ed e s i g ns c h e m ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t s s oi th a s p r o v i d e dm o r e t e c h n i c a ld a t u mf o rt h es i t e k e yw o r d s ：t w i n s c r e wp u m p t e s t s y s t e m d a t ac o l l e c t i o n e f f i c i e n c y c u r v e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：避 撕7 年j 7 月，3 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 2 5 奔j月，。日 蝴年立月，o 日 中国i 瑚人学( 华尔) i ：稃硕十论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 设计螺杆泵油气混输测试系统的意义 油田地面输送使用油气混输泵可以减少流程、泵站和投资，因此 目前对地面混输泵的需求与同俱增，对螺杆泵的效率和可靠性要求也越 来越高，油气混输泵的质量是影响其推广和使用的重要因素。油气混输 双螺杆泵是地面油气混输泵的主力军，占的份额较大，为此，对双螺杆 油气混输泵设计和使用中的有关问题进行探讨、分析研究就显得十分必 要。在产品交付使用前，必须严格检验以确保质量合格，以免现场投产 运行后给用户造成不必要的经济损失。出厂前的台架试验是确保产品质 量的有效途径。油气混输泵是我厂的一个新兴产品，建立一套完善的双 螺杆油气混输泵试验测试系统，对螺杆泵的性能进行测试，找出产品的 改进点，为泵的现场经济运行提供依据，显得尤为重要。这就要求研发 和建立完善的螺杆泵测试系统。 双螺杆油气混输泵是一种油气混输设备，属容积式泵，其核心部件 是同步啮合的双螺杆，其内部结构见图卜1 。 图l 一1 螺杆泵内部结构 主动轴轴封从动轴 l 中国i i 油人学( 华尔) i ：稃硕十论文第1 章前言 泵的工作原理是依靠一对同步转动的主从螺杆的相互啮合，沿轴线 形成一串连续的密封腔。当电机带动主动螺杆与从动螺杆转动时，使其 啮合腔室的容积周期性变化，介质被平稳地沿轴向从一个密封腔推向另 个密封腔，从进口移向出口，实现流体的输送，并完成介质输送中的 增爪过程。双螺杆油气混输泵具有泵与压缩机的双重性，对液相表现为 泉的特质，对气相表现为压缩机的特质，但总体是以泵的特性出现”1 。 混输的介质变化范围大，从稠油到轻质油，粘度范围广：含天然气比率 随时部在变化，有时是零，有时相当长时日j 输1 0 0 的气( 即段塞流) ， 并含有磨砺性固体砂子和腐蚀性气体如硫化氢、二氧化碳等，输送条件 非常差。因此，双螺杆油气混输泵设计和使用性能的好坏，将直接影响 褴个泵的流量、压力和效率特性，同时对其输气、输砂能力以及产生的 轴向力大小、轴承和密封易损件的寿命等都有举足轻重的作用口1 。它 的性能参数和设计完善的基础就是靠试验的手段来获得试验数据并不 断地改进，厂内进行产品性能测试是了解产品质量好坏的直接的最有效 的手段。这就必须有完善的性能测试系统来完成产品的出厂性能检验。 1 2 设计测试系统的目的 双螺杆泵测试系统要测试出厂前双螺杆泵在不同出口压力以及不 同含气率下的排量和功率，并绘制两者之间的曲线关系，检测安全阀是 否币常丌启，泵体密封是否漏油，泵体振动是否异常，泵体升温是否太 快等项目“1 。通过出厂前的台架试验口 ，测试混输泵的各项性能参数， 对确保产品质量具有重要意义。因为油气混输泵的输送介质很特殊，入 压力、气液比等因素对泵的效率和寿命都有很大影响。因此，研究的 关键足让测试系统具备并能完成入口压力和油气比对泵排液量的影响 及气相对泵效率的影响两个性能试验功能。 2 中国_ i 油人学( 华尔) l ：程硕十论文第1 章前言 1 2 1 泵入口压力和油气比对泵的排液量的影响 泵的入口压力和油气比对泵的排液量都有影响，在输送多相流介质 时，由于气念的可压缩性，不同的泵入口抽吸压力会改变泵输送流体的 能力。如果泵入口油气比保持相对稳定，当泵入口压力变大时，则导致 泵油相排量增大，这是因为泵入口压力加大，使气相进一步压缩，气相 体积变小，而油相所占的体积百分比随之增大；反之，油相排量会降低。 如果泵入口压力保持稳定，当泵入口油气比变大时，油相排量降低，气 相排量增大；反之则刚好相反。泵的进出口压差本身就受泵进口油气比 影响，当进口油气比变化较小时，对泵进出口压差影响较小；当进口油 气比变化较大，尤其是当接近纯气输送时，对泵进出口压差影响较大， 同样，对泵的功率和效率都会有较大影响，直接影响到泵的现场运行。 1 2 2 气相对泵效率的影响 通常，可认为泵的内泄漏沿着螺杆整个密封线是均匀的，对于输送 单相液体的泵而言，泵的排出口处压力使靠近排出端一侧( 后) 密封腔 中的液体要沿着密封线回漏到相邻的前一级密封腔室中，由于液体的不 可压缩性，从而使该处的压力增加，并强行将这部分回漏多余的液体再 挤入到与其相邻的i j i 一级密封腔室中。照此，使等量不可压缩的液体沿 密封线一级一级地回漏到其i j 一级的密封腔室中，最终流回吸入室，从 而使泵的容积效率降低。但对于多相混输泵而言，由于转子旋转带动介 质旋转产生的离心力使气体集中于旋转中心，液体被甩向外缘的环带， 每一级中，在横断面上的压力分布是由中心向外缘逐渐增高。当混合物 从排出室泄漏到含有气体的前一级密封腔室时，因中心部位压力相对较 低，同时气体又具有可压缩性，故不足以使流体泄漏到更前一级密封腔 中。当混合介质中含气率较低或在该泵推荐的合理含气率范围内时，泵 只泄漏少量的液体，减少了内泄漏率，无形中提高了泵的容积效率。又 3 中国_ i 油人学( 华尔) 犁硕十论文第1 章前言 由于这时的机械效率和水力效率基本不变，故泵的总效率也得到了提 高。但当含气率较大时，尤其是气相为主，液相很少时，尽管泵的容积 效率得到了提高，但是，由于此时转子螺杆啮合时摩擦产生的热量， 不足以被液体带走，因此，螺杆啮合表面的温度会逐渐上升，同时整个 泵的温度也会逐渐增高，这样由于会属材料的热胀特性，就会使各处配 合趋紧，摩擦加剧，不但机械效率降低，若热量继续聚集，还会损坏零 件，使其寿命大大降低口1 。这也是双螺杆泵虽然能够输送一定量的气 相，但不可在纯气相介质条件下长时自j 工作的根本原因。 由此可见，研究双螺杆泵在输送超过一定含气率的混合介质时，泵 效的高低和最佳的经济运行工况很重要，即根据实验结果找出每台泵输 送混合介质时含气率的最佳范围，为现场合理选泵和使用提供一定参 考。 4 中国i i 油人学( 华东) j i ：拌硕+ 论文第2 章技术现状及研究内存 第2 章技术现状及研究内容 2 1 螺杆泵测试系统的现状 地面油气混输泵输送的介质变化范围大，从稠油到轻质油，粘度范 围广；含天然气的比率随时都在变化，有时是零，有时相当长时日j 输 1 0 0 的气( 即段塞流) ，并含有磨砺性固体砂子和腐蚀性气体如硫化氢、 二氧化碳等，输送条件非常差，工况比较恶劣，因此掌握螺杆泵的输送 特性，在螺杆泵出厂前在实验室或者制造厂模拟类似现场工况进行螺杆 泵的性能测试，显得尤为重要。一些制造厂家根据自己的实际情况为此 建立了自己的螺杆泵性能测试系统，对螺杆泵的性能进行检测试验。但 由于客观条件的限制等因素，因此在用的螺杆泵测试系统功能不是很完 善，只是注重测试系统某一方面的测试功能。有的试验介质只是单一的 液体，不能完成油气混输试验，无法检测混输泵的油气混输性能：有的 试验排量太小，不能满足大排量试验泵的需要，大排量泵无法测试；有 的自动化程度太低，试验精度和数据处理速度低，工人劳动强度大。 关于螺杆泵油气混输测试系统方面的课题，国外很少有这方面的报 道。资料搜索比较困难。 目f j ，螺杆混输泵的性能测试系统国内有几个范例，下面就是国内 现有的几家螺杆泵测试系统的基本情况。 2 1 1 西安石油学院螺杆抽油泵性能试验自动测试系统 西安石油学院和上海东方石油设备有限公司合作1 ，研制开发了 基于w i n d o w s 9 8 环境下的螺杆抽油泵性能试验自动测试系统，采用v b 丌发工具，对压力、流量、转速、温度、扭矩、泵功率、轴功率等多项 性能参数进行自动检测。实现了性能试验中数据的自动采集与分析，螺 杆泵转速及运行工况的自动控制，螺杆泵压力一流量、效率一流量( 压力) 、 中国i i 油人学( 华东) i 样硕十论文第2 章技术现状及研究内容 轴功率一流量( 压力) 等性能曲线的自动绘制及试验数据存储、查询、 打印等功能，具有直观方便的人机界面。该系统省时、省力，测试效率 高，可靠性好，是螺杆泵的新型高效检验设备。试验系统流程图见图 2 一l 。实现了小排量油气混输泵的纯液试验流程。 图2 1 西安石油学院螺杆抽油泵性能试验自动测试系统 卜一变频器：2 一电动机；3 减速机4 一抓矩转速传感器；5 锁紧机构 6 一被测泵；7 一底座；8 一入口压力变送器：9 温控系统；i o 一油箱； l l 一小流鼍变送器：1 2 一人流量变送器；1 3 一过滤器；1 4 一调1 y 器； 1 5 一数据采集系统；1 6 一出口压力变送器 2 1 2 石油大学( 华东) 单螺杆泵输送气液两相介质的试验装置 石油大学( 华东) 机械系丌发了用清水和空气两相混合物做介质的 单螺杆泵混输试验系统口1 。该系统能完成小排量单螺杆泵的纯液试验 和气液两相混输试验，试验台流程见图2 2 。 6 中国f i 油人学( 华东) q - 程硕十论文第2 章技术现状及研究内容 图2 - 2t 融人学( 华东) 单螺杆泵输送气液两相介质的试验装置 1 - - 控制箱；2 一减压阀；卜调恬器；4 、5 一玻璃转子流革计；6 、7 、8 、9 一 各种苗程压力表：l o 一排山闸门；1 1 一排出管线；1 2 一水箱；1 3 一标定箱； 1 4 一水箱底阀；1 5 吸入阀；1 6 一进水管线；1 7 蜗轮流鼙计；1 8 - - 气液混 合装置；1 9 一单螺杆泵；2 0 一温度计；2 i 、2 3 一联轴饥2 2 一手f f 矩转速传感 器；2 4 一电动机；2 5 一鼓风机 2 1 3 天津瑞德泵业有限公司双螺杆泵出厂测试系统 天津瑞德泵业有限公司从事双螺杆泵研发生产已经多年，它的最仞 技术来自德国。公司根据自己多年的研发经验和实际情况，开发了双螺 杆泵出厂测试系统。试验介质是单一的n i o 机械油，该测试系统能够完 成排量从5 m 3 h 到3 0 0 m 3 h 的混输泵的纯液测试试验。它的试验底座和 连接管线根据不同的泵型可以更换，以适应不同型号和不同排量的双螺 杆泵的测试安装固定。该系统不能进行油气混输性能试验。 由于只是纯液试验，所以试验流程也比较简单，见图2 3 。 2 1 4 胜利孤岛采油厂混输试验系统 为了真实模拟现场工况条件，由胜利设计院设计在孤岛采油厂的 7 中国i i 油人学( 华东) l ：程硕十论文第2 章技术现状及研究内容 图2 3 天津瑞德泵业有限公司双螺杆泵出厂测试装置 l 一山口管线；2 山口阀：3 一蜗轮流草计；4 一出口压力表；s 一出口 高压软管：6 - - 舣螺杆泵；7 进口软管；8 进口阀：9 一进口压力表； l 旺进口管线；1 l 一油箱 一口生产油井上建立了一套油气混输测试系统。该井天然气丰富，但半 生气不稳定，时有时无，无法预测。在测试过程中，无法直接计量油井 产出的液体和气量，必须进行油气分离后再分别计量，然后再计算油井 的含气量。由于液量和气量不稳定，无法方便地进行不同排量的泵的性 能测试试验。该测试系统实现了真实介质的输送，但是控制不同的含气 量的测试过程比较困难，由于种种原因，该测试系统不久就报废停用了。 2 2 目前螺杆泵测试系统存在的问题 前面介绍的四家螺杆泵性能测试系统各有各的优点和缺点。 西安石油学院螺杆泵测试系统的不足是：试验介质只是单一的液体 ( n 3 2 机械油) ，没有气体的掺入，即不能实现螺杆泵的油气混输试验， 试验排量也不能满足大排量泵的测试要求，是井下螺杆泵的性能测试系 统，不能满足地面混输泵的试验条件。 石油大学( 华东) 测试系统自动化程度较低，这可能与当时的投资 多少有关系。试验过程中各阀门的丌启和关闭靠人工操作调节，压力、 8 中国_ i 油人学( 华尔) 。1 ：程硕十论文第2 章技术现状及研究内容 温度、流量、电流、转速等测试数据在仪表盘上显示后，需要人工手工 记录，然后再人工输入微机进行数据处理，效率较低，而且该系统试验 范围较窄，泵的排量较小( 仅8 m v h ，电机功率4 5 k w ) 0 1 ，仅限于一 种型号的单螺杆泵进行测试，整个试验流程不能进行泵的更换，不能完 成不同型号的不同排量的单螺杆泵的试验，试验系统的更换性较差，而 且油气混输试验时调节比较困难，很难保持稳定的状态，含气比例仅限 于很小的范围( 2 0 ) ，试验过程费时较长，仅作为一种教具，用于 教学演示，不能用于工厂实践。 天津瑞德泵业公司的测试系统不能进行油气混输试验。而且压力、 温度、流量、电流、转速等试验数据全靠人工记录，最终需要人工处理 试验数据，手工计算泵的轴功率、效率等。依靠人力操作和读取数据， 不但劳动强度大，工作效率低，而且测试数据的可靠性往往受人为因素 的影响，造成试验结果的偏差较大。 胜利孤岛油井现场的混输泵测试系统由于不好控制等原因，证实这 种做法不可行。 。 以上测试系统其现状和性能各不相同，功能还不够完善，存在一些 需要改进的地方。存在这样那样的不足，还不能很好地满足工厂生产测 试的要求，需要进一步补充，以提高测试系统的实用性和扩大它的适用 范围。测试系统多采用手工测量和基于d o s 环境下的自动测量。采用手 工测量，依靠人力操作和读取数据，不但劳动强度大，工作效率低，而 且读取数据的可靠性往往受人为因素的影响；而基于d o s 环境下的试验 系统则存在界面不好等问题。 国内的这几家螺杆泵试验测试系统，除了有的是手工测试以外，自 动测试系统的试验介质要么只是单一液体( 油或者是水) ，没有把液相 和气相有机结合起来，不能完成混输试验；要么是限于泵排量限制，试 9 中国_ i 油人学( 华尔) i ：群硕十论文第2 章技术现状及研究内容 验系统满足不了不同型号的泵在同一个试验台进行测试的功能，只能固 定一个型号的泵，用于实验教学，不能用于生产实际，即测试系统的适 应范围太窄。 2 3 研究内容 各家的测试系统都具备一个共同功能，就是无论是手动还是自动， 无法测试系统的排量大小，都能做到纯液试验，这是测试系统最基本的 功能。但仅仅做到纯液试验这一点，还远远达不到油气混输泵的性能试 验要求，还不能满足混输泵油气混输性能测试的需要，远没有达到真正 意义上的混输。所以针对油气混输泵的测试要求和测试系统现状，必须 重点解决以下三个问题： ( 1 ) 完成混输泵真j 下意义上的油、气混输性能测试； ( 2 ) 测试系统具有良好的人机界面，数据自动采集、检测和分析； ( 3 ) 测试系统的测试范围要广，要能满足不同规格泵的排量范围要 求，即测试系统的排量测试范围要大，满足生产需要。 本课题的目标是把以上三个方面有机结合起来，重点也是解决这三 个方面的问题，既能完成纯液试验，也能完成油气混输试验；既能自动 检测记录和处理试验数据，也能具有较好的人机界面，能满足不同排量、 压力的一系列的螺杆泵的试验要求。良好的测试系统是保证准确快捷获 得试验数掘的基础。 建立混输螺杆泵的性能测试试验系统的关键是解决油气混输测试。 因为混输泵就是在油、气不分离的情况下，实现油井产物的外输任务， 而且油气比的多少直接影响到混输泵的混输性能和泵的效率，所以只有 在厂内进行油气混输试验，才能较全面地掌握泵的性能，为现场泵的选 型提供依据。 1 0 中国f 渤人学( 华东) i ：群硕十论文第3 章测试系统的土要内容及方案设计 第3 章测试系统的主要内容及方案设计 油气混输双螺杆泵所输送的介质是多相混合物，混合物中的每一相 对泵的工作性能都有独特的影响，但是起决定作用的是液体的粘度和泵 吸入口处的气液比。 准确检测油气混输双螺杆泵的性能是保证泵质量及正常经济运行 的基础之一。用计算机进行数据采集和处理，可以保证测量的实时性， 提高测试精度，防止人为误差，提高数据处理效率，及时提供试验结果。 通过对以f j 试验数据的查询，可以对试验结果进行比较，找到试验或产 品改进的出发点。 数据自动采集控制系统是现代试验系统的发展方向。本测试系统 采用工业自动化通用组念软件“组态王”来完成。组态王”是在流行 的p c 机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包。 该试验系统能够实现试验过程的自动控制，被测参数能够由计算机 自动采集并在屏幕上实时显示，同时实现试验数据文件的存盘、试验报 表、试验曲线的自动生成和打印输出。该试验系统完善各种试验项目的 自动化程度，有助于提高测试精度和加快测试速度，并提高数据处理效 率，及时提供试验结果，同时减轻操作人员的工作强度。 3 1 测试系统要求 在近似模拟现场使用条件下试验，目的是要得到一整套双螺杆泵外 特性的试验数据，分析掌握其外特性。实现双螺杆泵产品的性能试验。 在进行试验台的设计时，首先确定试验台测试系统达到以下要求： ( 1 ) 测试系统要稳定、可靠，系统所用的测量仪表和传感器均按 国家b 级标准配置，显示仪表的精度等级为0 2 级，微机采集精度不低 于0 2 级”。 中国t i 油人学( 华尔) ：榉硕十论文第3 章测试系统的主要内容及方案设计 ( 2 ) 在吸高h o 、液体粘度“和转速n 不变的条件下输送单相介质 ( 1 0 0 水或1 0 0 气) 时，研究其实际流量、轴功率及效率与排出压力 的关系； ( 3 ) 在转速不变时，泵特性参数( 压力、流量、效率) 随泵入口 气液两相流量( 气体：o - 3 0 0m 3 h ，液体0 - 3 0 0n m 3 h ) 的变化规律， 研究泵流量、效率、压力与气液比之日j 的关系： ( 4 ) 确定泵输送气液混合物时的临界特性，及泵在不同工况时能 输送的最大含气量； ( 5 ) 试验分两个过程：第一个过程实现双螺杆泵的纯油试验；第 二过程实现双螺杆泵的油气混输试验。 双螺杆泵第二过程试验要求： 输送1 0 0 气一- 1 0 0 液的各种比例混合液的能力； 混合液试验压力最大2 4 m p a ，管程压力4 m p a 以上； 流量范围：气体o - 3 0 0 n m 3 h ，液体o - 3 0 0 m 3 h 。 ( 6 ) 实现试验结果的自动输出、曲线生成和保存； ( 7 ) 试验装置主要由控制系统、试验泵、供气及测量系统、油气 分离器、温度、流量、压力测量系统及各种调节阀和气液管线等组成。 3 2 测试系统方案的整体设计 螺杆泵性能检测试验台被用于检测螺杆泵的综合水力特性。该系统 集机械、液压、电气、计算机数据采集和控制于一体，通过模拟螺杆泵 的实际工况，对螺杆泵的容积效率及其他性能进行检测。为了满足以上 系统测试性能的要求，解决此次课题的设计需要从以下几个方面来考 虑：系统测试所用的试验介质、测试对象、机械系统、液路系统、气路 系统、电气控制系统和数据采集处理系统等。 根据试验要求，测试装置的系统流程图设计方案如图3 一l 所示： 1 2 中国_ 瑚人学( 华东) i ：拌硕十论文第3 章测试系统的主要内容及方案设计 图3 1试验系统流程方案图 螺杆泵性能测试系统的试验流程包括纯液试验、油气混输试验和密 封性试验流程8 3 叫。 图3 - 2 现场运行的双螺杆泵 1 3 中国_ i 油人学( 华尔) ：群硕十论文第3 章测试系统的主要内容及方案设计 纯液试验流程 纯液试验的作用首先是让刚装配好的设备进行一段时白j 的磨合运 转后，再进行纯液状态的性能测试。运行该试验流程时，启动螺杆泵， 从油箱中吸油，经过液路系统和试验泵后流回到油箱。通过连续地调节 泵的出v l 压力，模拟近似的螺杆泵运行工况，不断地提高出口压力，实 现在不同压力工况下进行试验的目的。螺杆泵运行过程中，通过调节出 1 2 1 压力，实时采集螺杆泵在不同压力工作时的流量、转速、电流、温度、 电压和压力等，并计算螺杆泵的输入功率、输出功率和容积效率，从而 完成螺杆泵的水力特性测试。此时如果需要设定螺杆泵的入口压力，则 启动灌注泵。根据螺杆泵流量的大小，可以选择f t 0 4 、f t 0 5 和f t 0 6 流 量计，进行单独计量或者任意两个或三个同时进行流量计量。系统分别 采集压力变送器输出的模拟信号和流量计输出的脉冲信号，然后转换成 对应的压力值和流量值。各个液路上的测试仪表测试泵的运行参数，并 传到处理中心，自动记录工况运行参数。 油气混输试验流程 油气混输试验过程，跟纯液试验过程类似。液路处于工作状念，同 时启动空气压缩机，压缩空气按照一定的比例经过气路，跟液体在油气 混合器中混合后进入混输管线，再经过试验泵升压后从泵出口排出，经 管线进入油气分离器。排出液在分离器中将混合的油和空气分离，纯净 的油就进入下一个循环过程。通过连续地调节泵的出口压力，模拟近似 的螺杆泵油气混输运行工况，不断的升压，实现在不同工况下进行试验 的目的。螺杆泵运行过程中，通过调节出口压力，实时采集螺杆泵工作 时的气液流量、转速、电流、电压和压力等，并计算螺杆泵的油气比、 输入功率、输出功率和容积效率，从而完成螺杆泵的油气混输特性测试。 此时如果需要设定螺杆泵的入口压力，则启动灌注泵。根据螺杆泵流量 1 4 中国i 油人学( 华东) i ：稃硕十论文第3 章测试系统的土要内容及方案设计 的大小，可以选择液量流量计f t 0 4 、f t 0 5 、f t 0 6 和气体流量计f t 0 1 、 f t 0 2 、f t 0 3 ，进行单独计量或者任意两个或者三个进行流量计量。系统 分别采集压力变送器输出的模拟信号和流量计输出的脉冲信号，然后转 换成对应的压力值和流量值。各个液路和气路上的测试仪表测试泵的运 行参数，并传到处理中心，目动记录工况运行参数。 密封性能试验流程“们 密封性能试验流程是关闭空气压缩机和螺杆泵，开动灌注泵，油经 过液路进入螺杆泵，并保压一段时间，看螺杆泵各密封处是否有渗漏油 现象发生，同时压力传感器测试此时的系统压力。目的是检测螺杆泵的 装配密封性。 要完成螺杆泵纯液、油气混输和密封性能试验三个流程，整个测试 系统必须综合考虑下面几个环节：试验介质、机械部分、控制部分、数 掘处理和人机界面等几个部分。 3 2 1 试验介质 首先，试验介质的选择，从环保和经济角度考虑，选空气和机械油 做为试验介质，这样既采用了廉价的空气，又避免了因采用清水做介质 而使泵腔生锈，还要做后续防腐处理的问题。试验机械油可循环使用。 3 、2 、2 机械部分 螺杆泵性能测试系统是由几个机械部分：液路管线、气路管线、储 液罐、油气混合器、螺杆泵、安装底座、灌注泵、空压机等有机结合在 一起，共同完成测试系统的功能。 ( 1 ) 储液罐和分离器 机械油是循环利用的，所以要解决油气分离的问题。在测试系统的 末端，经过试验泵出口的油气混合管线接入到一个4 0 立方米的油气分 离器，简单结构见示意图1 0 ，经过进一步分离的机械油继续参入循环 中国i i 油人学( 华尔) l ：样硕十论文第3 章测试系统的土要内容及方案设计 试验，同时该油气分离器也起到了试验介质的散热问题。油气分离器在 各采油厂的集输处理过程中使用的很多，而且是一个比较成熟的产品。 因此油气分离的设计制造不是一个难题。 ( 2 ) 油气混合器 为了防止油气混合不均匀，有较大的气团进入混输管线和试验泵后 引起震动，在油、气的进口交接处设计一个油气混合器，结构见图3 3 ， 打碎较大的气泡，使油、气进入泵之i j i 得到比较充分的混合，减少诸如 段塞流、环状流等的影响。 8 i 特盯 西 儿a-a蓄固囤 j 6 中国f i 油人学( 华东) i ：稃硕十论文第3 章测试系统的土要内容及方案设计 ( 3 ) 适应不同流量泵的气液管汇连接 考虑到螺杆泵测试系统的流量范围是从0 - - 3 0 0 一h ，流量跨度较 大，为了提高气液流量计测试仪器的精度和满足不同流量需要，气液管 线在进入混合器之| j 仃分别采用三种管线并联，即三级分流式结构阳】， 在试验过程中可以按照泵的额定流量进行任意三种管线的组合，实现不 同的流量搭配，以适用不同测试流量的需要，扩大了测试系统的流量适 应范围。 液路由通径d n 5 0 、d n l 0 0 、d n 2 0 0 三种管线并联组成，见图3 - 4 ； f t 0 4 、f t 0 5 、f t 0 6 为涡轮流量计，量程分别5 0 、1 0 0 、2 0 0 ；v 0 9 、v i o 、 v 1 1 为电动阀门。每一路上还各有两个手动阀门，便于流量计和电动阀 门的更换维修，在图中没有表示出来。 - 1 k 0 6 悱v l l t 一 图3 - 4 三种液路管汇 气路跟液路管汇相似，由d n l 5 、o n 2 5 、d n 5 0 三种管线并联组成见 图3 5 ：f t 0 1 、f t 0 2 、f t 0 3 为气体流量计，量程分别为0 7 7 、4 5 4 5 、 中国4 i 油人学( 华尔) l 科硕十论文第3 章测试系统的土要内容及方案设计 4 0 - 4 0 0 ：v 0 5 、v 0 6 、v 0 7 是电动阀门。每一路上还各有两个手动阀门， 便于流量计和电动阀门的更换维修，在图中没有表示出来。 f t 0 2v 0 6 f t 0 3 v 0 7 p 炉 图3 5 三种气路管汇 ( 4 ) 不同规格泵的试验安装调整功能的实现 我厂生产的油气混输螺杆泵是一个系列，流量范围是5 0 3 0 0 一h ， 为了使各个排量的泵都能在同一个测试台上顺利完成性能测试，实现测 试系统资源的共享，避免建立多个大小不一的测试台，节约成本费用， 根据大小不同泵的底座型号设计有多个固定位置的试验底座。为了方便 操作和不同规格泵的安装调整的实现，泵的安装底座采用多功能通用底 座，在一个底座上丌设了几道贯通的t 形槽，便于底座大小不一泵的安 装和调整，这样就解决了泵的固定问题。 同时不同规格泵的中心高度也不一样。为了解决安装中心高度不同 泵与固定管线的对中连接问题，在泵的进出口两端各有段2 米长的高 压软管，高压软管在定长度方向范围内，可以自由伸缩，最大伸长量 中国f i 油人学( 华东) i ：样硕十论文第3 章测试系统的主要内容及方案设计 可达3 5 c m ，径向可以在6 0 。角度范围内任意弯曲连接，再加上跟不同 变径法兰的组合，这样就实现了各种规格泵的安装固定和连接问题。 ( 5 ) 管线内余油的回收 储油罐的出油管线在其底部侧面，进油管线在项部，见分离器进出 管线图3 - 6 。当试验结束后，关闭储油罐的出油管线阀门，油就不会再 流出柬。但是管线内的油也无法自动流到储油罐中，如果拆卸螺杆泵的 话，势必造成管线内的油外泄，不仅造成污染，而且也是很大的浪费。 所以该测试系统必须配有余油回收的功能。 在螺杆泵进出口管线，软管连接主管线一侧的底部焊接一根2 ”的 渡锌会属管，并配有6 m p a 的手动阀门，2 ”的细管线跟一台小排量的油 泵连接，经过油泵后，出口连到储油罐的顶部进油口处。试验过程中 6 m p a 的阀门是关闭的，一旦试验结束，在拆卸螺杆泵之前，打开该阀 门，启动油泵，管线中的余油就在油泵的抽吸作用下被泵到储油罐中， 实现了余液的回收，杜绝了余液外泄和污染。 图3 - 6 储油分离器进出口示意图 ( 6 ) 空气压缩机的作用 1 9 中国i i 油人学( 华尔) i ：样硕十论文第3 章测试系统的主要内容及方案设计 螺杆泵性能测试系统要求有油气混输试验，这就要求有气体的供给 源。空气压缩机就是提供压缩空气的。为了保持气压的稳定，在空气压 缩机的出口管线上接一个气体稳压罐。空气压缩机型号w 1 6 一l o ，额定 压力0 6 - 1 m p a ，最大供气量6 0 0 m ：h 。 ( 7 ) 灌注泵的功能 在螺杆泵的试验流程中有改变其进口压力和密封性能试验两项内 容，这就要求在螺杆泵的进口处有提供压力的设备灌注泵。灌注泵主 要是为螺杆泵的入口提供一定的压力，而且流量要跟螺杆泵的流量相匹 配。选用的灌注泵的型号为d d m 3 6 0 7 5 ，流量3 6 0 m 3 h ，2 4 4 m p a ，满足 了试验过程中需要提供压力和密封性检测的要求。 3 2 3 控制部分 螺卡丁泵性能检测试验台的电气控制系统中综合应用驱动技术、控制 技术、信号检测技术，实现螺杆泵性能检测试验台的整体控制功能。 根掘螺杆泵性能测试试验的基本参数及试验台的功能要求，电气控 制系统应具备如下功能： ( 1 ) 实现螺杆泵转速无级调节，完成转速、转矩参数的检测及数据 采集； ( 2 ) 实现螺杆泵的入口压力、出口压力的无线调节，完成压力参数 的检测及数据采集； ( 3 ) 螺杆泵出入口油气流量的检测及数据采集； ( 4 ) 实现介质温度的检测及反馈： ( 5 ) 控制各电动阀门任意角度的开启和关闭； 3 2 3 1 电气控制系统 由于试验螺杆泵流量的不同，各种不同型号泵的流量和压力不同， 所配备的电机功率大小也是相差很大，如果用同一规格功率的变频器直 ! 鱼! ! 垫叁堂! 兰查! ! ：型堡丝奎 笙! 童型堕墨竺塑圭垩塑查墨垄壅垦盐 接启动的话，有时就会出现大马拉小车或者小马拉大车，驱动系统和拖 动机构的功率大小不匹配的情况。而且大电机的瞬时启动电流非常大， 所以整个实验配电系统就要求采用降压或者软启动，以改善电机的瞬时 启动对电网的影响，综合考虑电机控制部分采用变频控制，同时由于功 率范围较大，每一种功率电机都各配个相应功率的变频器柜，从经济 上不大可行，所以从常用的1 8 k g l 到2 0 0 k w行了分段考虑，设立了三 个功率段的变频启动柜： 1 # 变频启动柜为7 5 k w ，可以拖动1 8 k w - - 7 5 k w 的电动机： 2 # 变频启动柜为1 1 0 k _ ，可以拖动9 5 k w l i o k w 的电动机； 3 # 变频启动柜为2 0 0 k w ，可以拖动1 3 5 k 料一2 0 0 k w 的电动机； 螺杆泵性能检测试验台的电气控制系统见图3 7 。 图3 7 电气控制系统 中国i i 油人学( 华尔) i ：稗硕十论文第3 章测试系统的主要内容及方案设计 由于电气控制系统的组成环节较多，流量、温度只是信号检测、数 显并采集到计算机，没有控制环节，其过程比较简单。见图3 8 、3 - 9 。 流量温度 l南 窜 牵茬。 图3 8 流量和温度仪器接线图 纠y +删+ t r 卜 n 丌j - “t t 外 m 口m 2 4 1 +僻 n k , 5 2 ” p r l + t九计 2v+pt2- 曲pt3- 2 什纠y i e 蠢0 ) 什 n i “y 电矗( 1 ) 什 2 嘲口) ” 2 4 v 电曩( 2 ) i ? - m m 2 4 v + 跳 所 坤 1 1 0 1 3 锄i e f ) 1 3 曲哪十) 1 3 诅虞囊上， 图3 9控制系统接线图 注：f t 流量变送器；t t 温度变送器；阿一压力变送器：n t 转速变送器；u t 电压变送器：i t 电流变送器；g n d 一接地 3 2 3 2 电动阀门 在每一个手动阀门的前面，都安装一个电动调节阀门，以便于自动 调节。接线见图3 一l o 。 肼肿叶胁咐廿锄唧聊附m眦叶附噼附御附眦阶 中国f i 油人学( 华东) i ：程硕十论文第3 章测试系统的土要内容及方案殴计 r i c 右 t l c 右 p 【c 中 ，l c 中 p l c 中 r l c 争 h l c 左 r l c 左 r l c 弃 r u 刁 图3 一l o 电动调节阀门接线图二 每一个电动调节阀门从全闭到全开都需要一定的时间，虽然在阀门 全闭和丌口最大位置处有限位丌关，但是在中白j 的某个位置处却没有开 度位置检测，所以就从时自j 上来控制电动调节阀门的丌度。具体每个电 动调节阀门的全开启或全关闭所需时间，见表3 1 。 表3 - 1 闸门全部开启( 关闭) 时间： 闸r j 名称开启( 关闭) 时间 灌注泵排出闸fj ( 阀4 ) 6 5 s 气体管线闸j1 ( 阀5 ) 5 5 s 气体管线闸j2 ( i 列6 ) 2 5 s 气体管线闸fj3 ( 阀7 ) 1 5 s 气体管线总闸fj ( 阀8 ) 4 5 s 液体管线闸j1 ( 阀9 ) 3 8 s 液体管线闸j2 ( 阀1 0 ) 4 5 s 液体管线闸j3 ( 阀l 】) 8 5 s 下面以螺杆泵电机调速控制、螺杆泵出口压力控制与检测环节为例 阐述该系统的参量控制及信号检测原理。 3 2 3 3 螺杆泵电机调速控制 。钆ot盯b5晤h 32|。叭o 3 2 。q ot口b曙5巧“32| 中国_ 袖人学( 华尔) i 。稃硕十论文第3 章测试系统的主要内容及方案设计 电机变频调速是通过变频器的频率控制功能调节电机的转速，实现 螺杆泵转速的无级调节1 。转矩转速检测系统的转矩转速传感器与螺 杆泵同轴连接，工作时将转矩转速信号转变为电信号，通过转矩转速仪 完成信号的变换、显示，再经过a d 转换实现计算机数据采集。泵的出 口压力控制与检测系统通过计算机自动控制方式或手动控制方式控制 电动调节阀的丌度，实现出口压力的无级调节。由传感器、智能数显控 制仪、r s 2 3 2 通讯端口完成压力信号的显示与计算机采集，应用智能数 显控制仪的超限报警控制功能，实现超压保护。泵的入口控制与检测系 统功能和原理与出口压力控制和检测原理相同。流量检测系统的涡轮流 量计将流量信号转变成电脉冲信号，经信号调理器、脉冲计数器进入计