（机械工程专业论文）螺杆泵水力特性检测系统的研制.pdf

大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 螺杆泵水力特性检测系统的研制 摘要 螺杆泵采油作为一种人工举升方式，投资少、设备结构简单、操作方便、节能效果明显以及 适应性强，能有效降低采油成本，具有诸如抽油机柱塞泵、潜油电泵等机采方式无法比拟的优点。 随着大庆油田开发的逐步深入，油田开发的难度不断增加，螺杆泵以其优越的性能在油田生产中 的作用越来越显著。为了进一步提高螺杆泵产品质量，促进螺杆泵采油技术水平的提高，首先应 配套其检验、实验设施，一方面为螺杆泵理论研究提供试验手段，对产品质量进行检测，另一方 面，可以提供试验手段对新型的螺杆泵进行进一步的科学研究，对螺杆泵结构参数和工作参数与 螺杆泵举升性能的关系进行实验研究和理论研究成果的验证。 本文研究的对象是建立单螺杆泵的水力特性检测系统。主要有总体方案设计、试验流程设计、 机械结构设计、电气和液压控制系统设计以及计算机数据采集和控制系统设计等几个部分。系统 能够实现螺杆泵定子和转子的机械化拆装，出口压力可以远程调节，试验数据的采集和处理通过 计算机实现。经过调试，系统已经具备了试验功能。根据s y t 5 5 4 9 标准对螺杆泵试验系统的规定， 以n 3 2 机械油作为试验介质，模拟螺杆泵在举升过程中的实际工况，通过检测螺杆泵出口压力与 排量、转子转速、转子扭矩得出螺杆泵的水力特性曲线，从而反映螺杆泵产品质量，作为螺杆泵 生产者和使用者判定螺杆泵质量的依据。此外，使用本系统完成了螺杆泵举升性能与转子转速， 介质温度关系的试验研究，还专题研究了螺杆泵抽油杆柱轴向力与转子转速和试验介质温度关系。 应用螺杆泵水力特性检测系统对螺杆泵进行检测，能够出具准确的试验数据和检验结果，可 以有效地避免不合格产品下井，提高一次投产成功率，提高螺杆泵技术的整体应用水平。 关键词：螺杆泵；水力特性；性能检测；试验装置；研制 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 r e s e a r c h & s e t u p o ft e s t i n gs y s t e m0 1 1h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i co fp c p a b s t r a e t a sa na r t i f i c i a ll i f t , p c pp u m pp r o d u c t i o nh a st h ea d v a n t a g e so f l o wi n v e s t m e n t ，s i m p l ee q u i p m e n t , e a s y o p e r a t i o n , e f f e c t i v ec o n s e r v a t i o no fe n e r g ya n ds t r o n ga d a p t a b i l i t y t h e s ea d v a n t a g e s ，s u p e r i o rt o p r o d u c t i o nb yp l u n g e ro rd i v i n gp u m p ，h e l pt or e d u c ec o s ta n di n e a s ee f f i c i e n c yi np r o d u c t i o n w i t h d e v e l o p m e n ti n c r e a s i n g l yd i f f i c u l ti nd a q i n go i l f i e l d ，p c pp u m ph a sb e e np l a y i n gam o r en o t a b l er o t e i np r o d u c t i o nb yr i g h to fi t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fp c pp u m p ， p r o m o t et h et e c h n i c a ll e v e lo i lp r o d u c t i o nw i t hi t , t h ei m p o r t a n tt h i n gi st 0s e t u pa s s e m b l et e c h n i c a l r e g u l a t i o n s0 1 1p u m pe x a m i n i n ga n dt e s t i n g o nt h eo n eh a n d ，t h et e s t i n gr e g u l a t i o n sc a nb ep r o v i d e dt o e x a m i n et h eq u a l i t yo f p c pp u m p ，o nt h eo t h e rh a n d ，i tc a l la l s ob es u p p l i e dt om a k ef u r t h e rr e s e a r c ho n t h en e wt y p eo f p c pp u m p s ，s t ) t h a ti tc a l le x a m i n et h er e s u l t so f b o t ht e s t i n ga n da c a d e m i ci n v e s t i g a t i n g ， w h i c hi sb a s e d0 1 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r u c t u r ea n dw o r kp a r a m e t e mw i t ht h er x r f o m m c eo f l i f t as y s t e mt ot e s th y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i co fs i n g l ep c pp u m pi ss e tu ph e r e b y , w h i c hi n c l u d e st h e d e s i g n i n go fg e n e r a lp l a n n i n g ，t e s tp r o c e s s i n g ，m e c h a n i c a lc o n s t r u c t i n g ，c o n t r o l l i n gs y s t e mo f e l e c t r o n i c sa n dh y d r a u l i c s a n dd a t ac o l l e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw i t ht h ec o m p u t e r , e t e i tc a n ”a l i z e a u t o m a t i c a s s e m b l i n g o f t h es t a t o r a n d r o t o r o f p c p p u m p s ，r e m o t ec o n t r o l l i n g o f o u t p u t p r e s s u r e ， d a t ac o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gw i t ht h ec o m p u t e r a f t e rb e i n gd e b u g g e d , t h i ss y s t e mc a nb et a mi ns i t e a c c o r d i n gt os y t 5 5 4 9 ，m a c h i n eo i ln 3 2i su s e dt os i m u l a t eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fp c pp u m pl i f t i n g b a s e do nt e s td a t ao fp u m pd i s p l a c e m e n t , r o t o rs p e e da n dt o r q u ea td i f f e r e n to u t l e tp r e s s u r e s ，a c h a r a c t e r i s t i cc u r v ei sg a i n e d w h i c hs h o w st h eq u a l i t yo fs c r e wp u m pa n dc a nb eu s e da sau s e f u l r e f e r e n c ef o rb o t hm a n u f a c t u r e r sa n du s e r so ft h ep u m p s t h i ss y s t e m ，i na d d i t i o n h a sb e e nf i n i s h e di n t h er e s e a r c ho f t h er e l a t i o n s i n pb e t w e e nt h el i f t i n gc a p a b d i t yo f p c pp u m p sa n dt h er o t a t es p e e do fr o t o r a n dt h et e m p e r a t u r eo fm e d i a ，a n dp l o n e e r e das p e c i a lt o p i ci nt h er e s e a r c ho ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ea x i ss t r e s so f s u c k e rg o d so f p c pp u m p sa n dt h er o t a t es p e e do f r o t o ra n dt h et e m p e r a t u r eo f m e d i a w i t hs e t - u po ft h et e s t i n gs y s t e m , s p e c i f i cr e s u l ta n dd a t ac a r lb ep r o v i d e df o re a c hp u m pt e s t e d t h i s s y s t e m ，t h e r e f o r e ，c 鼬h e l pa v o i dm i s u s i n gd i s q u a l i f i e dp u m p si np r o d u c t i o nw e l l s ，e n b a _ n c es u c c e s sr a t e o f p u m pc o m m m s i o n i n g , a n di m p r o v et h ei n t e g r a ll e v e lo f p c pp u m pa p p l i c a t i o ni nt h eo i l f i e l d “w e l l k e yw o r d s ：p c pp u m p ，h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c ，p e r f e r m a n e et e s t i n g ，e x p e r i m e n ta p p a r a t u s ， d e v e l o p m e n t n i 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并 表示谢意。 作者签名：煎煎日期：型釜! 里店牙 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后 适用本规定。 学位论文作者签名：狱顿 日期：j 吧7 年司f 日 曼，旆笨复私，主 导师签名：母，山 日期2 7 耳钥昆 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 创新点摘要 1 、系统设置液压行走小车、液压拧扣机，实现定、转子组装、拆卸机械化；通过电动阀开、 关实现试验流程的自动切换；减轻了检测工人的劳动强度，提高了检测效率； 2 实现了转子转速、泵出口压力，介质温度的自动控制和采集，提高了自动化水平； 3 根据泵出口压力以及泵排量的大小，实现分级计量，提高了检测精度。 i v 丈庆石油学院工程硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的意义及研究内容 1 1 1 螺杆泵在油田中的应用“ 螺杆泵作为一种机械采油设备，投资少、能耗低、适应性强，在举升过程中流量平 稳、压力脉动小、自吸能力强、噪声低、效率高、寿命长、重量轻、对介质粘性不敏感， 具有其它举升方法不能取代的优势。随着大庆油田开发的逐步深入，油田开发的难度不 断增加，举升设备的重要性也日益突出，螺杆泵以其优越的性能在油田生产中的作用越 来越显著。目前螺杆泵作为一种重要的油田举升设备呈现明显的快速增长的势头。截止 2 0 0 6 年底的统计数据，大庆油田在用螺杆泵已经达到2 8 1 0 多套，而且新投产的螺杆泵 井的数量不断上升。但是螺杆泵举升技术发展的时间不长，经过理论研究和实践探索， 在举升机理理论分析和配套技术方面取得了一定的进展，但是还有许多深层次理论问题 有待解决，这些问题严重制约了螺杆泵在采油方面优势的发挥，阻碍了对螺杆泵应用潜 力进步的挖掘。同时，油田开发的实际需要，对螺杆泵举升又提出新的更高的要求。 只有对螺杆泵进行深入的应用基础理论研究，才能从根本上解决这些问题。 目前，螺杆泵采油系统按驱动头位置的不同可分为地面驱动和井下驱动两大类。 1 】地面驱动螺杆泵采油系统 地面驱动螺杆泵采油系统是螺杆泵采油系统中结构形式最简单的，也是国内外油田 应用最广的一种螺杆泵采油形式。地面驱动螺杆泵采油系统主要由地面驱动部分、井下 部分、电控部分、配套工具等四部分组成。 ( 1 ) 地面驱动部分 地面驱动装置( 驱动头) 是螺杆泵采油系统的主要地面设备，它是把动力通过抽油 杆传递给井下的螺杆泵转子，使转予实现自转和公转，实现抽汲原油的机械装置。地面 驱动装置可采用机械传动和液压传动两种形式，机械传动的地面驱动装置有无级调速和 分级调速两种类型。无级变速又可分为机械式和变频式两种。机械式无级变速器的成本 低，但传动比系列受限制，不便于遥控。变频式无级变速器是利用改变电流频率进行变 速，允许电动机低速启动，在完全平衡的情况下将转速平滑地增加到最大值，可遥控调 第一章绪论 节转速。下面以机械传动的驱动装置为例介绍它的组成。如图1 - 1 所示 ( a ) 电机。它是螺杆泵的动力源，将 电能转化为机械能。一般采用防爆型三 相异步机。 ( b ) 减速器。主要作用是传递动力并 实现二级减速。电机的动力通过皮带传 动传递给减速器的输入轴，减速器通过 一对锥齿轮传动将动力传递给输出轴。 减速器除了具有减速、传递动力的作用 外，还将抽油杆的轴向负荷传递到采油 树上。 ( c ) 方卡子。主要作用是将减速器输 出轴与光杆联接起来。 ( d ) 密封盒。主要作用是密封井口， 防止井液流出。 ( 2 ) 井下部分 卜电控箱；2 一电机；3 一皮带；4 - 方卡子；5 一光杆； 井下部分主要由抽油杆、接头、转予、6 - 减速箱：7 - 专用井口；8 一抽油杆；9 一抽油杆扶正器； 导向头和油管、接箍、定子、尾管等组 ：萎差篆- 熹套矗冀茎：雾薯泵。”一套管 成。为了防止油管、定子脱扣，在尾管 图l l 地面驱动螺杆泵采油示意图 下部应安装油管锚定装置。 ( 3 ) 电控部分 电控箱是螺秆泵井的控制部分，控制电机的启、停。该装置能自动显示、记录螺杆 泵井正常生产时的电流、电压等，有过载、欠载自动保护功能，确保油井的正常生产。 ( 4 ) 配套工具 ( a ) 专用井口。它简化了采油树，使用、维修、保养方便，同时增加了井口强度， 减小了地面驱动装置的振动，起到保护光杆和换密封盒时密封井口的作用。 c o ) 特殊光杆。它强度大、防断裂、光洁度高，有利于井口密封。 ( c ) 抽油杆防倒转装置。防止了抽油杆倒扣。 ( d ) 油管防脱装置。锚定泵和油管，防止油管脱落。 地面驱动螺杆泵采油系统的工作原理是，地面驱动带动抽油杆柱旋转，使螺杆泵转 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 子随之一起转动，井下产出液由螺杆泵下端吸入，从上端排出，并沿油管柱向上流动， 经井口流入油管线。这种采油方法简便，实际使用时井下也不需要再装卸油装置。由于 螺杆泵转子随抽油杆柱下入和起出，螺杆泵转子一旦脱离定子( 泵简) ，油套管之间便 连通，于是起到了卸油的作用。同时可在生产过程中测量动液面，使费用也降低，是较 理想的采油方法之一。 地面驱动螺杆泵采油系统是利用抽油杆传递螺杆泵所需要的扭矩，因此在大排量情 况下很难实现深井采油，一般适用于并深1 0 0 0 米左右的直井。 2 ) 井下驱动螺杆泵采油系统 按驱动形式不同，可分为电驱动和液压驱动两种形式。动力罾干井雇不用枘油杆。 其系统结构特点如下。 ( 1 ) 电动潜油螺杆泵采油系统 如图1 2 所示，将潜油电动机、保护器和螺杆泵组 合在一起，下入井下，利用电缆将其地面电力输送到井 下潜油电动机，地面上有变压器和自动控制柜等。当井 底电机接通电源后，电机驱动螺杆泵工作，将井底产出 液泵入油管内，并通过油管柱向上流至井口，最后进入 油管线。正常工作时，卸油器通孔是关闭的，起下油管 时卸油器旁通孔被打开，使油套管之间相互连通，它起 平衡管柱内外压力的作用。电动潜油螺杆泵采油工艺简 单，丽且可在不停产情况下直接测量动液面，但井底电 机、电缆和其接头在井液中要保持绝缘的状态下长时间 可靠地工作仍是个棘手的问题。 由于电动潜油单螺杆泵和驱动其工作的电机都处于 地下，因而不需要抽油杆传递动力，特别适合于深井、 斜井和水平井采油作业。较早开展这种泵研究工作的是 前苏联和法国，近年来，美国等发达国家也开始重视电 动潜油螺杆泵的开发，并在多砂、高粘深井、定向井、 ：麦薯芸：2 - 芝雾害：篡 水平井中采用，取得了很好的效果。在某些情况下，电7 - 电缆；8 - 保护器；9 - 电机 动潜油螺杆泵的使用寿命甚至比电动潜油离心泵高5 图1 - 2 潜油螺杆泵采油示意图 3 第一章绪论 倍。电动潜油螺杆泵寿命的提高，大大降低了采油成本，使一些原来经济上无开采价值 的油井有了良好的效益。 ( 2 ) 液压驱动螺杆泵采油系统 液压驱动螺杆泵采油系统利用地面泵提供一定压力和排量的液体，通过油管通向井 下液压马达，驱动螺杆泵转子旋转抽油。 整个系统分为地面和地下部分，地面设备有管路、油水分离器、供液泵，井下设备 有旁通阀、液压马达、封隔器和螺杆泵。工作时供液泵将高压水通过油管供给液压马达， 液压马达转动带动螺杆泵工作，井底产出液从螺杆泵上部排出并与动力液混合后流入油 管和套管的环形空间返回井口，经分离计量后流入大罐，分离出的水，再注入供液泵， 循环使用。 正常工作时，旁通阀靠压力差处于关闭状态。起下油管柱时，阀靠弹簧打开，使油 管和套管的环形空间相互连通，从而起平衡管柱内外压力的作用。 由此可见，液力螺杆泵采油流道简单，对动力液要求低，一般的工业用水便可作为 动力液，简化了动力液净化系统。只要调节地面动力泵的流量，就可以调节单螺杆泵的 转速，使它能在不稳定工况的油井中或者在具有不同产量的粘油井中有效地进行抽油。 用热动力液可以简化高凝油井的开采并且方便螺杆泵的启动。液力螺杆泵采油虽比电动 螺杆泵复杂，涉及到的设备较多，且在测试液面时须关井停泵，但这些设备的问题容易 解决，且系统工作可靠，并能根据油层供液能力、动液面深度和泵挂深度，确定系统的 技术参数，同时，一个地面站可集中管理多口井，便于维护和管理。 1 1 2 本课题研究的意义 随着螺杆泵采油技术的发展应用，小排量螺杆泵通过多年的研发、推广，生产及配 套技术逐渐成熟，在油田外围低产、低渗及老区三次加密开采过程中，其一次性投资少、 系统效率高、维护管理方便等特点逐步得到了认可。油田高含水后期，随着聚驱、三元 复合驱、水驱高产液井生产的实际需要，大排量螺杆泵、陶瓷涂渡螺杆泵以及橡胶等壁 厚螺杆泵的应用前景将十分看好。但目前国内螺杆泵生产厂家较多，生产能力和技术水 平相差较大，造成螺杆泵产品质量不够稳定。为了进一步提高螺杆泵产品质量，促进螺 杆泵采油技术水平的提高，首先应配套其检验、实验手段，一方面为螺杆泵理论研究提 供试验手段，对产品质量进行检测，另一方面，可以提供试验手段对新型的螺杆泵进行 4 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 进一步的科学研究，对螺杆泵结构参数和工作参数与螺杆泵举升性能的关系进行实验研 究和理论研究成果的验证。 螺杆泵的理论研究难度较大，需要理论力学、流体力学等诸多学科的支撑，还要长 期深入地跟踪国内外研究的方向和成果，将理论研究的成果应用于采油实践也需要一定 的周期，所以，对螺杆泵进行试验研究就成为一个解决油田举升过程中问题的有效途径， 先进的试验系统，是实现这一目标的前提，它不但能为螺杆泵的试验研究提供硬件保证， 而且还能够为理论研究提供验证的条件，对提高螺杆泵的设计、制造水平也将起到重要 的作用。 采油用单螺杆泵是安装在油管柱的末端在井下几千米处工作，其功能是将井下的产 出液经油管举升到地面，一旦下到井下的螺杆泵质量不合格，不其备一定的举升性能， 将造成额外的作业费用。对下井前的螺杆泵必须进行检测，所检测的项目并不是转子和 定子的各项尺寸公差和形位公差，而是螺杆泵的举升性能，即水力特性。具体过程是在 螺杆泵性能检测实验台上，模拟螺杆泵的实际工况，通过检测不同出口压力下的螺杆泵 排量、转予扭矩等得出螺杆泵的水力特性曲线，一方面，对螺杆泵的综合性能进行评价， 另一方面可作为选泵和工况诊断的依据。 该检测系统的建成后，将出具准确的数据和检验结果，能够有效的避免不合格产品 下井，提高一次投产成功率和螺杆泵技术的整体应用水平，对确保螺杆泵采油技术的社 会经济效益均具有十分重要的意义。 1 1 3 本课题研究的对象及内容 螺杆泵根据运动比值的不同，可分为单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵、四螺杆泵、 五螺杆泵等。本文研究的对象是建立单螺杆泵的水力特性检测系统，根据s y t 5 5 4 9 - - - 2 0 0 2 对螺杆泵试验系统的规定，考虑现场使用的实际需要，设计合理的功能，既满足单 螺杆抽油泵性能检测的要求，又能进行科研性中间试验，此外还能对旧泵进行清洗及检 验。 具体研究内容： ( 1 ) 螺杆泵试验的机械系统设计：主要为螺杆泵试验提供组装、拆卸功能，实现螺 杆泵定子和转子以及检验配头的组装、拆卸全过程机械化，减轻检验人员的劳动强度， 提高检测效率。 5 第一章绪论 ( 2 ) 流程系统设计：实现螺杆泵试验过程中试验介质的提供、回收，实现压力的设 定和流量的测量，该系统还能够提供对螺杆泵及其检测通道的清洗功能，可以根据试验 要求对介质的温度进行设定。 ( 3 ) 轴向力检测系统设计：通过检测试验系统的压力，根据传感器测量数据和密封 段几何参数，通过轴向力检测系统，实现转子轴向力( 0 1 0 0 k n ) 的测量及数据采集， 系统可以提供螺杆泵运行过程的轴向力数据。 ( 4 ) 数据采集和控制系统设计：通过转矩、转速控制与检测系统，实现螺杆泵转子 转速在0 5 0 0r m i n 范围内无级调节，完成转速、转矩参数的检测及数据采集；通过压 力控制与检测系统，实现控制螺杆泵的出口压力在o 2 5m p a 范围内无级可调，完成出 口压力和入口压力参数的检测及数据采集；由流量检测系统完成螺杆泵出口流量( o 5 0 0m 3 d ) 的检测及数据采集；通过温度控制系统，实现试验介质的温度控制及检测。 ( 5 ) 系统的应用：主要研究试验介质的温度、转子转速及压力等对螺杆泵举升性能 的影响。 1 2 目前国内外研究现况及发展趋势 对于螺杆泵举升性能的试验研究以及试验装黄的建造，国内外有诸多的文献介绍， 主要集中在试验方案的设计，以及针对螺杆泵的结构参数和工作参数中一个或几个与举 升效率的关系进行研究。例如大庆油田第六采油厂的孟令尊和许军针对抽油机和电潜泵 两种机采方式对聚合物驱井采出液的不适应性问题和地面驱动螺杆泵及其配套工艺不 能举升2 4 0 m 3 d 以上采出液问题，开展了地面驱动大排量双头螺杆泵及其配套工艺推广 应用试验；石油大学的肖文生、万邦烈等人用水和空气为介质在试验台上对双螺杆泵的 气液两相介质混输时的水力特性进行了研究，得出了相应的特性曲线；大庆油田第四采 油厂分别用试验台对螺杆泵和潜油螺杆泵进行了试验研究，得到了各自的特性曲线。 0 2 1 由于螺杆泵的定子和转子的形状复杂，制造和检验困难，目前通过试验分析对其 举升特点进行研究是一个重要的途径。国内的螺杆泵制造和使用单位已经建造了该类型 的试验装置，但这些试验装置的测量精度和自动化程度都存在着不足，不能适应螺杆泵 应用技术迅猛发展的需要。随着螺杆泵应用领域的不断拓宽，对螺杆泵技术要求也将越 来越高，为适应螺杆泵快速发展的要求，研究高水平的试验装置也是亟待解决的问题。 6 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 第二章螺杆泵水力特性检测系统功能 2 1 检测理论基础 测量和检测问题广泛存在于各行各业，存在于生产、生活领域，而且随着生产力水 平与人类生活水平的不断提高，对测量和检测问题提出了越来越高的要求，除了要求能 准确、迅速、可靠地完成检测任务外，还要求能实现自动与智能化的检测，即如何使用 各种先进技术、现代化的检测工具和手段来组建先进的自动检测系统。 检测技术的发展，大致经历了三个重要的时期：手工艺时期、仪器工程时期和仪器 科学时期。作为一门综合往技术学科的检测技术，涉及众多的技术问题，需要众多学科 的支撑，有着广泛的应用前景。随着现代科学技术的发展，其重要作用和地位会越来越 突出。 2 1 1 检测的基本方法 为了获得被测对象的真实值( 真实信息) ，需要对内被测对象进行检测，为了达到 上述目的，要采用适当的变换原理，选用合适的测量工具和设备，涉及合理的测量方案， 即要选择合理的检测方法。检测方法的选择是检测中的重要问题，如果检测方法选择不 当，即使选择高精度的仪器仪表，也不一定能获得满意的测量结果。甚至不能把被测信 号检测出来。检测的方法很多，从不同的角度出发，有不同的分类方法，本课题应用的 方法主要有以下几种。 1 ) 无需辅助能源的直接变换式检测 这种检测形式是从被测对象取得一部分能量作用在检测元件上，从检测元件上得到 反映被测对象数值大小的输出值。例如，用热电偶测量试验介质的温度。 2 ) 需要辅助能源的比较型检测 这种方法是将被测量与标准量进行比较，实现对被测量进行测量的方法，具体实施 方案有三种，分别是平衡法、偏差法和微差法。本课题中压力的检测就是应用平衡电桥 法进行的。 3 ) 信息处理型检测 用这种方法对被测对象进行检测时，检测量不是直接转换成所需的被测量，而是经 过对检测所得信息进行处理后，才能得到被测量的检测方法。其原理如图2 1 所示。本 7 第二章螺杆泵水力特性检测系统功能 课题中转矩、转速的检测就是应用信息处理型检测方法进行的。 图2 - l 信息处理型检测系统 检测方法的选择应根据被测量的类型、现场条件( 如空间位置、机械振动、热辐射、 电磁场等干扰) 、以及量程、精度、反应速度等方面的要求进行。在实际应用中，应对 被测对象做具体分析，才能确定合理的检测方法，设计出合理的检测系统。 2 1 2 数据采集系统结构 典型的数据采集系统由4 部分构成： ( 1 ) 数据采集器 它包括多路开关m u x 、测量放大器i a 、采样保持器s h a 、模数转换器a d c 等， 它的作用是将多个现场模拟信号按某种规则逐个采集，再量化后送入计算机， ( 2 ) 微机接口电路 用来传送数据采集系统运行所需的数据、状态和控制信号。 ( 3 ) d a c 转换器 将计算机输出的数字信号转换为模拟信号，以实现系统要求的显示、记录与控制任 务。 ( 4 ) 应用软件 在众多的应用场合，多路开关m u x 之前或之后还要配置滤波、前置放大等信号调 理电路。 2 1 3 异步串行通讯基础 异步串行通讯用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束，构成一帧。 在异步通讯中，发送的每一个数据字符均带有起始位、停止位和可选择的奇偶位，数据 字符之间没有特殊关系，也没有发送和接收时钟，电平由高到低的起始位通知接收器接 收信息，并在所期望的数据间隔期间内启动时钟电路提供锁存脉冲。停止位表示该字符 传送结束并返回至4 标志状态，每个字符的位数视使用的要求而改变。用这样的方式表示 8 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 字符，则字符可以个一个地传送。 异步通信数据传输中，微机与其它设备之间必须有两项规定： ( 1 ) 字符格式。它是对字符的编码形式、奇偶校验形式及起始位和停止位的规定。 例如：a s c h 编码字符为7 为，加一个偶校验位，一个起始位，以及一个停止位，共1 0 位。 ( 2 ) 波频率。它是对数据传输速率的规定。例如：数据传输的速率为1 2 0 字符位秒， 而每个字符规定为l o 个数据位，则传输的波特率为： 1 2 0x1 0 = 1 2 0 0 b p s = 1 2 0 0 波特率 每一位的传送时间为： 1 j = 1 1 2 0 0 = o 8 3 3 m s 异步通讯的传送速度在5 0 9 6 0 0 波特之间。 2 1 4 检测系统的抗干扰技术 衡量一个检测系统是否成功，关键看其在工业生产环境中能否达到要求的准确度和 稳定性。因为工业生产环境往往比较恶劣，干扰严重，这些干扰有时会严重破坏仪器仪 表的器件和程序，使其产生误动作，为了保证检测系统稳定可靠地工作，必须周密考虑 和解决抗干扰问题。 1 ) 干扰和噪声源 干扰窜入系统的渠道主要有三个，分别是电磁感应、传输通道和配电系统。一般情 况下，经空f 司感应窜入的干扰在强度上远远小于从传输通道和配电系统窜入的干扰，而 且空间电磁感应形式的干扰又可采用良好地“屏蔽”和正确的“接地”加以解决。所 以，抗干扰措施主要是尽量切断来自传输通道和配电系统的干扰，并抑制部分已经进入 的干扰作用。 具体地讲，本项目需解决的检测系统干扰主要有外部干扰( 包括串模干扰和共模干 扰) 和数字电路的干扰。 2 ) 抗干扰措施和方法 。 ( 1 ) 抑制串模干扰的主要措施有信号滤波、信号积分，其中信号滤波应用较多的是 r c 滤波器和l c 滤波器，本系统采用了r c 滤波器。 ( 2 ) 抑制共模干扰的主要措旆也有很多。本项目主要采用隔离的方法，即利用光电 9 第二章蠕杆泵水力特性检测系统功能 耦合器将各种模拟负载与数字信号源隔离开来，从而将“模拟”地与“数字”地断开， 被测信号通过光电耦合获得通路，而共模干扰由于不成回路而得到有效地抑制。 ( 3 ) 其它抗干扰方法 系统采用的其它抗干扰措施主要有：正确接地、采用屏蔽信号线、强电与弱电分 开敷设等方法。有效地抑制了干扰的产生。 2 2 螺杆泵水力特性检测系统功能 螺杆泵水力特性检测系统就是根据s y t 5 5 4 9 2 0 0 2 对螺杆泵试验系统的规定，以 n 3 2 机械油作为试验介质，模拟螺杆泵在举升过程中的实际工况，通过检测不同泵出口 压力下的泵排量、转子转速、转子扭矩得出螺杆泵的水力特性曲线，螺杆泵水力特性曲 线是反映螺杆泵产品质量的综合指标，是螺杆泵采油井选井选泵与优化设计、工况分析 与故障诊断的基础。它通过排量、扬程、泵效、轴向力反映螺杆泵的质量，作为螺杆泵 生产者和使用者的依据，可以避免不合格螺杆泵的出厂，提高现场一次投产成功率。 螺杆泵水力特性检测系统除了可以对新出厂的螺杆泵产品进行性能检测和评价，还 可以利用特殊介质进行螺杆泵科研性中间试验，满足科研项目的要求，同时，还可以对 旧泵进行性能检测，判断是否能再次下井使用，节约油田举升成本。 2 3 检测系统检测范围及主要技术指标 2 3 1 系统检测范围 随着螺杆泵采油技术的进步及油田生产需要，螺杆泵产品的规格及应用规模不断增 加，并不断向大排量泵型发展，检测系统的计量精度、计量范围必须涵盖全部螺杆泵型 号，系统功率和平台长度也要满足g l b 8 0 0 以上泵型对检验平台长度要求，根据目前螺 杆泵的发展趋势，螺杆泵泵体总长不会超过g l b l 2 0 0 1 4 ，继续提高排量将采用多头泵 来实现。因此，平台长度设计为2 6 m ，能对直径0 7 3m l n 至0 1 1 41 1 1 1 1 1 和长度从4 5 0 0l i l i n 至9 6 0 0h i m 的单螺杆抽油泵进行水力特性检验、实验和科研中间试验，动力系统提供 2 0 0 0 n m 的检测扭矩，保证g l b 8 0 0 以上螺杆泵能够检测到额定扬程。采用两台质量流 量计，实现检测排量为2 5 0 0 m 3 d ，并根据泵出口压力、泵排量大小，实现分级计量。 泵出口压力是螺杆泵性能检验的重要指标，每台泵一个转速下至少检测6 8 个压力 1 0 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 点，高扬程泵一个转速下要检测l o 个压力点以上，最高压力达到2 0 m p a 左右，系统设 计最高测量压力2 5 m p a ，同时为了便于压力调节，确保检验人员安全，根据使用条件选 择耐杂质能力强的电动阀进行泵出口压力调节，通过控制启动电流的大小调节电动阀的 开启度，调节泵排量从而控制泵出口压力。 2 3 2 系统自动化程度 系统设置液压行走小车，实现定、转子组装拆卸机械化；在螺纹连接部位安装了液 压拧扣机，实现连接件的机械化组装、拆卸；减轻了检测工人的劳动强度，提高了检测 效率。泵出口压力控制、螺杆泵转子转速调节、检测介质温度设定都是通过检验人员调 节控制台上的调节来完成，既减轻了检验人员的劳动强度又确保检验人员的安全和参数 调节的平稳和准确。系统中所有各检测参数通过装置上的一次仪表测量后经过二次仪表 转换为电信号后送入计算机直接采集、计算并制表绘图输出，提高了数据采集、处理的 自动化程度，确保了检测结果地准确，便于在计算机中建立数据库，保存检测数据，建 立被检泵的历史档案。 2 3 3 系统主要技术指标 螺杆泵水力特性检测系统测量参数及主要技术指标见表2 一l 。 表2 - 1 检测系统技术指标及范围 第三章蠕杆泵水力特性检测系统设计 第三章螺杆泵水力特性检测系统设计 螺秆泵水力特性检测系统包括流程系统，实现螺杆泵试验过程中试验介质的提供、 回收，实现压力的设定和流量的测量；机械传动系统，可以实现螺杆泵装配和拆卸的机 械化；液压系统，分别为两个固定液压系统和一个移动液压系统；轴向力检测系统；电 气控制系统。通过以上各系统的配合，对检测系统的压力、排量等技术指标进行实时测 量，模拟螺杆泵在举升过程中的实际工况，对其水力特性进行检测和评价。 3 1 工艺流程设计 为了满足螺杆泵水力特性检测的需要，设计了包括清洗流程、试验流程和检验流程， 检测系统的工艺流程如图3 - 1 所示。 图3 - 1 螺杆泵水力特性检测系统流程图 流程包括：阀门、管线，过滤器、流量计、压力传感器、储液罐等。 3 1 1 管线强度、通径 流程的最小配置管径选用方法：按技术指标的要求，排量最大为5 0 0 m 3 d ，压力 2 5 m p a ，对选用的21 2 ”油管进行验算。 强度验算： 1 2 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 仃= 型2 s l 式中，p 一油液的最大压力，p a ： d 一油管内直径，m ； ( 3 一1 ) j 一油管壁厚，m5 o - 一油管的应力，p a ； p 】一材料的许用应力。 【仃】对于3 5 c ，射。材料，取安全系数，n = 3 ，p 】_ 8 3 5 m p a 则对于对于21 2 ”油管， 仃= 2 5 虿x 忑1 0 6 历x 矿0 0 6 2 = 1 4 0 m p a ， 仃】z x u u u ) ) 液流速度按下式进行计算： v = 罟 ( 3 - z ) 式中，a 一通过油管的流量，m 3 s 。 d 一油管内径，r f l ； v 一油管中的液流速度，一般允许流速为5 - 7 m s ； 对于21 2 ”油管： v ：4 5 0 0 ( 2 4 - 6 ：0 6 0 ) ：0 0 0 5 7 8 7 ：0 0 0 5 7 8 7 ：1 9 1 m j 丌。0 0 6 2 2 1 o 0 6 2 2 0 0 0 1 9 6 均未超过允许流速，所以，由21 2 ”油管作为流程管线的方案是可行的。 3 1 2 油箱容积 参照液压系统设计规范，对于固定式油箱，其有效容积取泵流量的2 - 6 倍，对于 5 0 0 m 3 肛的泵的排量指标，其每分钟的排量为： 丽5 0 0 石= o 3 4 7 肌3 缸 实际设计时，选用油箱的容积大于1 5 m 3 。可以满足工艺的需要。 第三章螺杆泵水力特性检酒系统设计 3 1 3 流量的计量 技术指标中规定的流量检测范围是o - - 5 0 0 m a ，为了保证检测精度，设计了2 套并 联的流量检测装置，2 个质量流量计的检测范围分别为：6 1 2 5 3 7 5 k g m i n 和 o 3 - 1 8 5 k g m i n ，对于试验介质密度为0 8 5 k g c m 3 的3 2 液压油，则相当于0 3 8 , - - - 6 3 5m 3 d 和0 , 5 3 0 4 9 m l ，d ，可以根据试验过程中流量的要求进行切换，可以满足试验工艺的需要。 3 2 机械传动部分设计 机械传动部分的组成如图3 2 所示。主要由电机、变频调速器、变速器、减速器、 转矩转速传感器、动密封及轴向力测量装置、弹性联轴器、定子连接、转子连接、液压 锚( 2 套) 、夹紧装置( 3 套) 、支承辊( 3 套) 、机械手( 2 套) 、行走小车( 其上安装有 支承辊、夹紧装置、液压钳、移动式液压站) ，以及底座、小车移动导轨、小车行走齿 条等组成。 3 2 1 电机、变频调速器 图3 - 2 机械传动示意图 电机是整套装置的动力设备，电机通过减速器驱动螺杆泵转子，为满足螺杆泵转子 在5 0 - 5 0 0 r r a i n 范围内工作，采用变频调速器调整电机电源的频率，从而改变电机转速， 实现无级调速。电机的选用主要考虑功率和转速的要求。根据调研和分析，现场驱动螺 杆泵的电机般是2 2 3 7 k w ，在试验台上考虑一定的功率储备，选用4 5 k w 的电机。采 1 4 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 用电机型号为：y 2 2 5 m - - 4 、功率4 5 k w 、转速1 4 8 0 r r a i n 。 根据电机转速n , m = 6 0 f z z 一电机极对数 n 自机= 6 0 0 2 ：3 0 f 转子转速n 转于= n t 机，n 1 n l 减速器传动比 。 n 转 = 3 0 f n l = 3 0 f 2 8 3 3 为满足5 0 r m i n n 籽一 5 0 0 r m i n 4 2 7 hz f 4 7 2 2 h _ z 因此，采用变频调速器6 s e 7 0 3 l 0 e e l 0 ，额定电流：9 2 a ，变频范围：( o 一3 0 0 ) u z 。 3 2 2 变速器、减速器 1 ) 减速器 由于试验台对转速的范围要求很宽，而电机的转速变化范围相对较小，虽然理论上 用变频器控制输入电机的电源频率，电机的转速可以在0 1 4 8 0 r m i n 转速下运转，但实 践证明：当电机在较低的频率下运转时，会发生输出功率( 动力) 不足的现象，其结果 是因电动机带不动螺杆泵和变频器的保护而造成停机现象。因此，要保证电动机在一定 的频率( 如3 0 h z ) 以上运转。为此，采用了电动机变速器一减速器的动力传递形式。 减速器选用单级行星齿轮减速器n g w 5 1 。1 ，传动比：2 8 3 3 、高速轴许用功率： 1 5 7 k w ，低速轴许用输出转矩：2 8 3 0 n m 、适用于高速轴最高转速不超过1 5 0 0 r m i n ， 工作环境温度4 0 “5 。 ，减速器输入功率n x = n s k l k 2 m 一实际输入功率，4 5 k w ； k l 一使用系数2 ； k 2 一油池润滑系数1 1 5 3 n x = 4 5 2 1 1 5 = 1 0 3 5 k w 1 5 7 k w 2 ) 变速器 变速器共有6 个正档，1 个倒档。变速器各档的传动比，电机通过变速器、减速器 后的转子转速以及当输入电机的频率在3 0 5 0 i - i z 之间变化时各档所能实现的螺杆泵转 1 5 速如表3 - 1 所示。 表3 - 1 变速器各档的传动比以及能够实现的转子转速 注：电机转速：1 4 8 0 r r a i n ；变频器频率变化范围：3 0 5 0 h z i 减速器传动比：2 8 3 。 3 2 3 转矩转速传感器 根据试验台检测扭矩的范围，选用上海第二电表厂生产的刀一2 0 0 0 型转矩转速传感 器，所检测的扭矩范围为：0 2 0 0 0 n m 。 3 2 4 弹性联轴器 为了在一定范围内补偿由于制造和安装等原因造成的传动系统各部分的不对中，保 证整套装置平稳、正常运转，提高检测精度，在电机与变速器、变速器与减速器、减速 器与转矩转速