（机械设计及理论专业论文）潜油电泵测试系统研制与开发.pdf

石油大学( 华东) 硕士研究生论文 摘要 潜油电泵测试系统是用于潜油电泵生产厂和用户对潜油电泵进行出厂 检验与性能型式试验的装置。本研究完成的试验系统，可满足5 0 h z 和6 0 h z 工频潜油电泵试验的需要，精度达到b 级试验台的要求，自动化程度高， 可满足潜油电泵国内用户和出口的试验需要。 在对潜油电泵试验系统及测控技术的国内、外发展现状进行调研的基础 上，本研究主要完成了潜油电泵试验系统的总体设计、强电设计、测量系 统设计、测量系统的抗干扰设计、数据采集和控制软件设计等工作。 本研究设计的高低一高变频系统，可满足6 0 h z 机组试验的要求；二 次回路设计，具有齐全的保护功能并实现了与原试验台的互锁：相互独立 的两套采集系统，使系统稳定可靠：电机滑行时间和冷热态电阻的自动测 试系统，提高了试验系统的自动化程度；用v b 6 0 编制的具有w i n d o w s 界 面风格的软件系统，可方便的实现仪表标定、报表打印、数据资料存储等 功能，便于操作和管理。系统经过半年多的运行，表明：稳定可靠。这些 工作。对提升潜油电泵试验系统的设计水平，提高试验的效率和自动化程 度，有一定的意义。 关键词：潜油电泵、试验系统、测控、数据处理、误差分析 石知一粤r 华为：) 硕士研究生论文 t h ee l e c 。i r i c a ls u b m e r s i b l ep u m pt e s ts y s t e m d e v e l o p m e n ta n de x p l o i t r 气t i a n a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m pt e s ts y s t e mi sad e v i c ew h i c hm a i n l yb e u s e di nt h e f a c t o r y c h e c k a n dt h e p e r f o r m a n c et y p ea p p r o v a l t e s to ft h e e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m p b y t h em a n u f a c t u r ea n dt h eu s e r , t h e t e s t i n gs y s t e m f i n i s h e di nt i f f ss t u d yc a nm e e tt h et e s tr e q u i r e m e n t so f t h em a i n 一抒e q u e n c y5 0 h z a n d6 0 h ze l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m p ，t h ep r e c i s i o nc a nr e a c ht h en a t i o n a l b - c l a s ss t a n d a r da n di t sa u t o m a t i o nd e g r e ei s h i g he n o u g ht o m e e tt h et e s t r e q u i r e m e n t sf o rh o m e a n d e x p o r t o nt h eb a s i so ft h e s u r v e yt o t h ee l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m pt e s t i n g s y s t e ma n dt h es t a t e o f - t h e - a r to ft h em e a s u r ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi nh o m e a n df o r e i g n , t h i s p a p e rm a i n l ya c c o m p l i s h e d t h e i n t e g r a t e dd e s i g no ft h e e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l e p u m pt e s t i n gs y s t e m ，t h eh e a v yc u r r e n td e s i g n ，t h e m e a s u r e m e n ts y s t e ma n di t sa n t i i n t e r f e r e n c e d e s i g n ，d a t aa c q u i s i t i o n a n d c o n t r o ls o f t w a r ed e s i g na n ds oo n t h eh i g h l o w - h i g hc o n v e r s i o ns y s t e m ，w h i c hc a nb ef o u n di nt h i sp a p e r , c o u l dm e e tt h et e s tr e q u i r e m e n t so ft h e6 0 h zu n i t ；t h ed e s i g no ft h es e c o n d a r y c i r c u i th a ss u f f i c i e n tp r o t e c t i v ef u n c t i o na n dr e a l i z e si t s i n t e r l o c k i n gf u n c t i o n t o t h e o r i g i n a le x p e r i m e n t a lb e n c h ；t h e t w o a c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c h i s i n d e p e n d e n tt o e a c ho t h e r , m a k et h ew h o l es y s t e m s t e a d ya n dr e l i a b l e ；t h e a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mo f t h ee l e c t r o m o t o rs l i d i n g t i m ea n dt h ec o l d - h e a ts t a t e e l e c t r i cr e s i s t a n c ec o u l dr a i s et h ea u t o m a t i cd e g r e e ；t h es o f t w a r es y s t e mw h i c h c o m p i l e db yv b 6 0a n dp r o c e s s e st h ew i n d o w si n t e r f a c es t y l e c o u l dr e a l i z e m a n y f u n c t i o n ss u c ha sm e t e rc a l i b r a t i o n ，s h e e tp r i n t i n g ，d a t as t o r a g em a ds oo n ， i ti se a s yt o o p e r a t ea n dm a n a g e t h em o r eh a l g y e a ro p e r a t i o no f t h es y s t e m i n d i c a t e di ti ss t e a d ya n dr e l i a b l e t h ew o r k sa r em e a n i n g f u lt or a i s et h ed e s i g n l e v e lo f t h ee l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m pt e s ts ) s t e m ，t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ee x p e r i m e n ta n dt h ea u t o m a t i c d e g r e e k e yw o r d s ：e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m p ，t e s t i n gs y s t e m ，m e a s u r ea n dc o n t r o l ， d a t a p r o c e s s i n g ，e r r o ra n a l y s i s 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。 签名础 2 【i o3 年5 月 了日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、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 口0 3 年 岁月 3 f 日 三l 矿哆年，月- 3 日粒 石油大学( 华东) 硕士研咒生论文 1 1 文献综述 第一章绪论 目前，我国在油田开采中采用的开采方式主要有自喷采油和机械采油 两种。自喷采油的特点是利用地层能量把原油举升到地面。但是，随着油 田的不断开发，地层能量逐渐消耗，即使注水开发的油田，开发进行到中 后期也会出现水淹和强水淹的现象，致使油井的供液能力下降和停喷。因 此，仅靠注水压力来维持油田的稳产是不行的。必须采用人工举升的方式 来维持油井的产量。 当油田进入高含水开采阶段，稳产条件发生了很大的变化，稳产难度 增加：一是老油田随着含水比的上升，原油产量递减明显加快；二是由于 老油田开发区主力油层已大面积水淹，含水饱和度不断升高，含水比大幅 度上升；三是由于高压注水，使油水井套管损坏速度明显加快；四是随着 油层压力的普遍提高，在老开发区钻调整井比较困难。鉴于油田进入高含 水开采阶段存在的问题，要实现原油的稳产、增产，必须逐步由自喷开采 过渡到机械采油方式开采。 机械采油方式开采，它可分为有杆泵和无杆泵抽油两种。潜油电泵采 油是目前油田上发展较快、较新的无杆泵采油工艺技术。它的特点是不用 通过抽油杆传递动力，而是把动力移到井下，用电机直接带动泵抽油，比 较好的解决了采油技术对抽油设备提出的两个重要问题：一是增加井下泵 的传动功率；二是扩大泵在不同开采条件下参数( 排量和压头) 的调节范 围。电泵采油具有扬程高、排量大、使用寿命长、管理方便、效率明显等 优点，因此在油田上得到广泛应用k 9 1 。 从国外石油工业较发达的国家来看，机械采油井数在生产井约占8 0 ， 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 而采出的原油产量占总产量的5 0 以上，我国抽油井的数量和产油量也在 逐年增加，特别是电泵采油技术发展得更快，到1 9 9 9 年年底，电泵井占总 生产井数的8 以上，电泵采油量占总采油量的2 0 以上。随着开发的不断 深入，电潜泵采油井的数目还将不断增加。 可见，随着油田进入中、高含水阶段，采用潜油电泵采油工艺提高油 井排液量，已成为保持油田稳产的主要手段。潜油电泵具有排量大的特点， 可以提高油井井筒温度场，改善原油在井筒流动条件，也是开采高凝稠油 的一种有效的采油工艺。 综上所述可知，潜油电泵是原油开采和提高原油产量的关键设备之一。 11 2 国内、外潜油电泵试验台研制的现状 国内生产潜油电泵、潜油电机的厂家很多，其中天津电机厂是国内较 早生产潜油电泵的厂家。目前该厂所采用的测量设备和测量手段的基本原 理是：将各测量参数如：电压、电流、功率、频率、压力、流量、温度等 通过仪表读数记录下来，再通过键盘输入到计算机，然后进行计算，得出 实验报告和数据曲线。这种检测方式无法排除人们读仪表的随机误差，况 且，仪表配置大部分是指针式，精度较低，读数误差较大。现在，该厂也 在进行试验装置的改进，以提高其自动化程度。 近年来，淄博潜水电泵厂也开始生产潜油电泵、潜油电机，它们虽起 步较晚。但较为重视检测手段的完善和提高测量精度，而且发展较快，厂 里投入大量人力、物力，组织了专门的科研力量，历经两年多，研制了一 套包括电机、电泵试验的检测设备。该测试系统的数据处理、数据采集微 机化，目前已使用数年。该厂的测试系统是比较先进的。功能是比较完善 的，但其不足主要有以下几个方面： 1 、测量系统数显仪表( 电压、电流) 没有与计算机接口的模拟输出端， 而是配置了其他型号的变送器。整个系统测量仪表和传感器的配套与选型 也存在一些问题。 2 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 2 、测量系统的测试稳定性和测量精度是在同一工作点采集十次，去掉 测量的最大值和最小值，然后求出剩余几次的平均值，作为该工作点的测 量值而实现的，这种测量方法主要是其采集系统的抗电磁干扰性能较差及 测试精度较低造成的。因而不仅影响了测试系统的采集速度，而且其测量 精度和测量的稳定性得不到保证，最后必将影响到整个系统的测试精度等 级。 3 、对潜油电机的滑行时间不能自动测量。电机的滑行时间是考核电机 装配质量的一个重要指标，靠操作人员用肉眼观测，手卡秒表的测量方式 录取的数据，精度难以满足要求。 4 、电机的冷、热态电阻测试采用h g l 9 4 2 低电阻测试仪表，该表只能 测到小数点后第二位，所施加的恒流源的电流不足1 0 0 m a ，不可能抵消高 压接触器触点的接触电阻及接线电阻，测试结果的重复性也得不到保证， 而且所测电阻值要通过人工输入计算机。 大庆石油管理局潜油电泵技术服务公司( 简称大庆电泵公司) 组建于 1 9 8 1 年，是原中国石油天然气总公司的潜油电泵制造、研究中心之一，是 大庆石油管理局的潜油电泵专业化公司。在电泵应用技术上，建立了选井 选泵、变频采油等系列配套技术；在电泵制造方面：有生产电机冲片的高 速冲床、有电机浸漆和环氧浇注装置、主要配件均用数控机床制造；产品 设计、生产管理均实现了计算机化。在电泵测试方面也处于国内较先进水 平，并设计了井液温度控制系统，基本上可以满足国内电泵测试的需要， 但是，电机的冷热态电阻、电机的滑行时间不能自动测量，只能实现机组 在5 0 h z 工作频率下的工作，电压等级较低，限制了试验台使用的范围。 综上所述，研制电压等级为6 0 0 0 v ，容量为1 0 0 0 k v a ，具有5 0 h z 和 6 0 h z 两种频率功能的，能够自动检测电机冷、热态电阻和电机滑行时间的 新型潜油电泵试验台，具有重要的应用价值和理论价值，在国内、外处于 领先地位。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 1 1 3 国内、外测控技术研究观状 自动测控技术系统最初起源于5 0 年代初期。早期的自动测试系统多为 专用系统，时针对某项具体测试任务而设计的，通常称为第一代自动测试 系统。常见的第一代自动测试系统，主要有数据自动采集系统、产品自动 检测系统、自动分析及自动检测系统等等。第一代自动测试系统主要缺点 是接口电路不具备通用性，改变测试内容需从新设计电路1 9 1 0 到了7 0 年代，随着美国公司提出接口电路标准化设计方案及进一步完 善，自动测控系统的发展进入了第二阶段，在这一阶段，各设备都用标准 化接口和母线按积木的形式连接起来。在许多系统中的大量使用的( 通用 接口标准化系统) ( 计算机自动化测量和控制系统) 等就是在这一时期形成 和发展的。所以，我们称这一阶段为接口标准化时期。 从1 9 8 0 年开始，自动测控系统的发展已进入第三阶段，这一时期的自 动测控系统是以美国的个人仪器为典型代表。所谓个人仪器，就是用个人 计算机控制多个仪器，而这些仪器与传统的概念已完全不同，它们本身大 都不带机箱和显示装置，而是以插件板或插件卡的形式作为个人计算机的 附件，通过计算机的内部接口电路把计算机与各仪器连接起来，构成一个 小型的自动测控系统，所以又称之为个人仪器。 近年来，许多科学工作者又在开始进行新的自动测控系统的研究，力 图充分发挥计算机的软、硬件功能，使计算机除了承担系统控制和进行数 据采集、处理以外，其本身也成为测量系统的一个整体，随着计算机技术 与数字处理技术的发展，仪器智能化程度日益提高。 当今世界最伟大的科技进步之一是大规模集成电路与电子计算机的普 及应用。尤其是近2 0 年来微型计算机( 包括单扳机、单片机) 出现和性能 的迅速改进，使得计算机更快地深入到社会生活的各个方面，推动着科学 技术的发展，整个社会迎来了信息时代。为了把需要处理的信息输入给计 算机，把计算机处理的结果输出到所需场所，就需要一系列输出、输入设 备( 计算机外围设备) 来完成信息的调理、采样、a d 、d a 转换、打印、 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 显示等工作，这些处理信息的输出、输入设备与计算机一起就构成了一个 数据采集系统d a s ( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ) 。现在，在市面上，已有与各 种计算机和总线系统适配的，构成d a s 中各种功能的大规模集成电路( l s d ) 芯片( 模块) 及设备出售，也有完全组装好的，专用或通用的工业控制机。 制造所需的各种机器与设备已构成一种崭新的工业t 5 3 1 其产值在成倍的增 长。 数据采集系统的构成一般如下图1 1 所示。 图1 - 1d a s 的框图 一个数据采集系统( d a s ) 的结构随其用途而不同，上图1 1 所示为一个 一般的d a s 框图。其中，传感器的作用是把待测的非电量( 如温度、压力、 流量、位移等) 转化为电量( 电流、电压频率) 传感器常称为一次仪表， 它的输出可以是模拟量，也可以是开关量或数字量。因为计算机只能接受 规定形式的数字信号。所以对传感器送来的模拟信号，先要经过信号的调 理，将信号放大( 或衰减) 、滤波等，使之满足a d 转换器输入的要求，再 经a d 转换送入计算机。当被采集的参数物理量为变化较快的时变信号时， 在a d 前应加采样保持器( s h ) 。为降低成本，在不要求高速采样的场合 下，一般采用图1 - l 中所示多路输入共用s i - i 与a d 的方案，用模拟开关 ( 多路器m u x ) 分时选通各通道，巡回检测各路参数。如果传感器输出的 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 就是数字量，一般也需经过数字信号调理，将信号整形或调平电压，变为 计算机可接受的信号，并经缓冲、锁存再送到计算机相应的i o 口。采集的 数据经计算机处理后，其结果经适当分配输出给打印、显示及其他器件， 以供入们观察、分析或实现闭环控制。整个数据的采集过程和数据处理及 输出均在微机控制下进行，所以微机系统是d a s 的核心部分。 由于实际中对采集系统的要求不同，d a s 的结构还可有其他的方案， 如适于高速采样要求的各路输入均有单独的信号调理与a d 变换的d a s 、 各路均有s h 的多路同时采样的d a s 等，即使在同一类方案中，根据实际 要求对某些功能块也可以有不同的增舍。 1 ，2 本课题研究的提出和目的意义 潜油电泵是用于井下的设备，如果产生质量问题，将造成巨大的损失， 由于，近年来，潜油电泵在引进国外产品的同时，国内生产厂家也逐年增 多，所以，每年新泵产量、投入的使用量、检修量逐年大幅度上升。胜利 石油管理局无杆泵公司是胜利石油管理局潜油电泵研制、生产、维修、检 测的专业公司，原有的b 级潜油电泵测试系统，使用已经超过十年，由于 原设计方案和软、硬件方面出现老化等一些问题，难于满足在新形势下潜 油电泵测试的需要，特别不能满足国外用户在6 0 h z 工频下进行测试和大功 率、高电压潜油电泵测试的要求。 因此有必要开发一套具有宽频率、高精度、高自动化、操作界面友好 的新型测试系统与实验装置。该系统由强电部分、仪表与传感器、数据采 集部分、微机操作以及管道流程组成的测试系统。该系统可对潜油电泵的 各个参数，如：输入电机的电压、电流、频率、功率、电泵输出液体的流 量、压力( 扬程) 、电机绕组的直流电阻、电机滑行时间进行自动测量，是 潜油电泵和潜油电机研究制造和出厂检验的必备测试手段。根据潜油电泵 的有关国家标准、结构特点和工作条件，研制潜油电泵试验使用的具有调 压能力的供电系统、控制系统、数据采集系统、微机控制系统及配套的测 试仪表、传感器和系统应用软件组成潜油电泵测试系统。该系统能自动测 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 量和显示各项参数，自动采集数据和计算试验结果，并对实验结果作为永 久性资料分类存盘。根据实验数据和计算结果自动打印符合规格要求的全 部试验项目报告，并能自动绘制潜油电泵和电机的试验所需的各种特性试 验曲线。 潜油电泵测试系统的建立旨在对检修的电泵机组和泵公司的产品在投 入运行前进行全面的质量检测，对潜油电泵做出完整的定量分析，为潜油 泵的研制检修提供可靠的技术依据，避免不合格产品投入使用，降低返修 率。从而，使泵公司产品畅销国内外，效益大大增加。 1 3 本论文的研究工作 1 3 1 主要研究内容 在对潜油电泵试验系统及测控技术的国内、外发展现状进行调研的基 础上，本研究主要完成了潜油电泵试验系统的总体设计、强电设计、测量 系统设计、测量系统的抗干扰设计、数据采集和控制软件设计等工作。 潜油电泵测试系统是由强电部分、仪表与传感器、数据采集部分、微 机操作以及管道流程组成的测试系统。该系统可对潜油电泵的各个参数， 如电压、电流、频率、功率、流量、压力、扬程、电机组直流电阻、电机 滑行时间等进行自动测量，是潜油电泵和潜油电机研究制造的主要测试手 段。根据潜油电泵的有关标准、结构特点，工作条件，研制潜油电泵使用 的供电系统、控制系统、采集系统、微机系统及配套的测试仪表、传感器 和系统应用软件组成潜油电泵测试系统。该系统能自动测量和显示各项参 数，自动采集数据和计算试验结果，并对实验结果作为永久性资料进行分 类存盘。根据实验数据和计算结果，打印成符合规格要求的全部试验项目 报告，并能绘制潜油电泵和电机的各种特性试验的全部曲线。 1 3 2 本论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容有 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 强电部分设计； 控制软件设计，用v b 编程，界面友好，w i n d o w s 9 8 以上操作系统， 操作简单，根据实验数据和计算结果，自动用汉字打印符合规格要求的全 部试验项目报告，自动绘制潜油电泵和电机的各种特性试验的全部曲线； 测量系统设计、测量系统的抗干扰设计、数据采集设计； 误差分析部分，对系统中各仪表及变送器系统误差及实验数据的随 机误差进行综合分析，最终得出误差限。 8 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第二章潜油电泵试验台的控制回路设计 2 1 潜油电泵工作原理 我国自1 9 8 1 年引进潜油电泵技术以来，至今已有2 0 多年的历史，这 2 0 多年来，潜油电泵作为重要的机械采油设备在油田得到了广泛应用。据 统计资料表明，目前我国已有潜油电泵井近3 7 0 0 口( 截止1 9 9 6 年底) ，仅 大庆油田就有近1 7 0 0 口，占机械采油井总数的1 0 ，产液量占总产液量的 3 0 ，潜油电泵的应用已成为油田高产稳产的重要手段之一1 1 2 1 0 潜油电泵机组的重要组成部分一多级离心泵，是举升液体的核心部件， 重点介绍离心泵的工作原理及其特性1 2 1 l 。 ( i ) 离心泵的工作原理 离心泵在电机的带动下开始工作以后，充满在叶轮中的液体由许多弯 曲的叶片带动旋转。在离心力的作用下，液体沿叶片间流道、由叶轮中心 被甩向边缘，再通过导壳流向排除口。随着液体的不断排出，在泵的叶轮 中心形成真空，这样液体在大气压力的作用下，通过吸入口源源不断地流 入叶轮中心，再由叶轮甩出。泵叶轮的作用是把泵轴机械能传递给液体， 使液体具有一定的压能和动力，泵导壳则是收集从叶轮甩出的液体，将一 部分动能转变为压能，并导向排出。 ( 2 ) 离心泵的特性 标志离心泵性能的基本参数包括流量、压头( 扬程) 、功率、效率转速 等，一般都在泵的铭牌上给出。 1 、流量 是指泵在单位时间内所输送的液体体积，用q 表示，其单位为兰s 、等 一m 或百。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 2 、压头( 扬程) 是指每一单位重量的液体通过泵以后，其能量的增加值，用h b 来表示， 其单位为m 液体( 以后均简写为m ) 。 3 、功率 离心泵的功率通常是指泵的轴功率，也就是发动机输入到泵轴上的功 率，用n b 来表示，其单位为k w 。单位时间流过离心泵的液体从泵那里得 到的能量叫做有效功率，用n 表示，泵的有效功率为q 。 n = o h p g 1 0 。 ( 2 - 1 ) 式中： n 泵的有效功率，k w ； q 泵的流量，m 3 s ； h 泵的扬程，m ； g 重力加速度，m s 2 ； p 液体的密度，k g m 3 。 4 、效率 任何泵都不可能把发动机输入的机械能完全转变为液体的液体能，因为 在泵内存在各种能量损失，泵的效率为有效功率与轴功率之比。 ，7 。：旦( 2 2 ) 2 万 旺之 5 转速 指泵轴单位时间内的转数，用n 来表示，其单位为r m i n 。 ( 3 ) 离心泵的特性曲线 离心泵的工作特性通常以流量、压头、功率、效率和转速来说明。表明 这些参数之间相互关系的醢线称为离心泵的特性曲线。 离心泵的特性曲线是依据室内实验结果绘制而成，具体做法是：在一 定转速下，调节泵排出口闸门，测取不同流量下的压头，同时测取消耗在 泵轴上的实际功率，这样即可获得离心泵不同流量下的q - h b 、q - n b 特性曲 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 线。 由式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 计算出不同流量下的效率，同样可得到离心泵的 r tb q 曲线，离心泵的特性曲线如图2 1 所示。 鼎 蜘 捧t m ，d ， 图2 - 1 离心泵的特性曲线 群 x 由离心泵的特性曲线可以看出，泵的流量随压头变化而变化，一般是 当压头增大时流量减小，泵轴的输入功率随流量的增大而增大。当排出闸 门关闭时，泵的流量为零，一般这时泵轴的功率要比额定功率小得多，因 此，在开泵时，为减少电机的启动负荷，应该把排出闸门关闭。在离心泵 特性曲线上有一个最高效率点，称为额定功率点，这点的流量和压头值即 为铭牌上给出的特性参数，在最高效率点附近，将最高效率点以下7 范围 内各点所对应的工况点称为高效工作区，只要离心泵在高效工作区内工作， 就认为离心泵的工作是经济合理的。 可见，通过对流量和扬程( 压力) 的测试，可以测出泵的输出功率， 用泵法得到机组率和工作特性。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 2 2 方案选择 2 2 1 概述 新建电压等级为6 0 0 0 v 容量为1 0 0 0 k v a 的b 级试验台，改造原电压等 级为3 0 0 0 v 容量为5 0 0 k v a 的原b 级试验台，并联了一套5 0 0 k v a 等级的 变频器，形成5 0 h z 、6 0 h z 两种频率的试验要求。该方案的一次回路原理图 如下图2 2 所示。 图2 - 2 系统的一次回路原理示意图 测试台建设的基本依据： 按照潜油电泵试验的要求，试验台建设的基本依据为如下国家标准。 g b t 1 6 7 5 0 9 7潜油电泵机组 g b l 0 3 2 8 6三相异步电动机实验方法 g b 3 2 1 6 8 9离心泵、混流泵、轴流泵、旋流泵实验方法”1 试验台达到的主要技术指标： 潜油电泵测试系统投入使用后能长期稳定的可靠工作，系统所用的测 量仪表和传感器均按国家b 级标准配置，现实仪表精度等级0 2 0 5 级， 微机采集精度不得低于0 2 级，系统试验等级不低于国家b 级标准。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 22 ，2 方案选择 为满足6 0 h z 潜油电泵测试的需要，目前，得到6 0 h z 试验电源有两种方 案。一、选用同步发电机方案。该方案成本较高。二、选用变频器方案。 选用变频器时，又有两种方案可以选择。 ( 一) 方案一 采用高中压变频器的方案。 该方案是从变压器直接引来高压电( 3 0 0 0 v 或6 0 0 0 v ) ，经过变频器， 将频率变为要求的频率，驱动试验负载，达到试验要求，该系统的框图如 图2 3 所示。 该方案的主要优点为： ( 1 ) 变压器引来的高压电，通过接线端直接连接到试验装置上，前端 较为简单； ( 2 ) 调压器的升压范围变小。 该方案的主要缺点为： ( 1 ) 采用高中压变频器，造价较高。由于高中压变频器本身结构原因， 价格较高，工业变频器的最小功率过大。 ( 2 ) 由于潜油电泵需要作短时过压试验，目前，高中压变频器没有升 压功能，故仍需安装一升压变频器，难以体现用高中压变频器的优点； ( 3 ) 测试系统需要另供低压电力，总线设计与采用通用变频器的相当； ( 4 ) 高中压变频器在油田使用较少，工人使用经验不足。 ( 二) 方案二 采用低压变频器的方案。 该方案的基本原理是：从市电引来高压电( 3 8 0 v 、5 0 h z ) ，经过变频 器，将频率变为要求的频率，通过升压器、调压器，将电压升至要求的电 压( 0 6 0 0 0 v ) ，通过高压柜，驱动实验负载，达到实验要求，该系统的框 图如图2 4 所示。 “油人学( 华东) i 厦士研咒生论文 图2 - 3 方寨一示意框图 图2 - 4 方案二示意框图 该方案的主要优点为： ( 1 ) 、使用通用变频器，性能可靠、成熟，使用普遍，符合油田技术 人员的操作习惯，价格较低； ( 2 ) 、采用市电，供电方便； ( 3 ) 、测试系统总线设计较为方便； ( 4 ) 、可以满足供电的要求，升级较为方便。 该方案的主要缺点为： ( 1 ) 升压器的工作范围变大，目前的升压变压器可以满足这一升压要 求，但需要专门设计、制造： 1 4 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 ( 2 ) 对于特大功率( 2 0 0 0 k w 3 0 0 0 k w 以上) ，对输电系统的要求提高。 经过论证和系统分析，决定在改造中，动力系统选用通用变频器( 低 频变频器) 进行变频的设计方案。 该实验台的控制系统采用工控机集中控制的方案，系统总线选用通用 的工业系统总线结构。 测试数据的采集、处理通过总线与工控机连接，集中采集、处理和分 析。 按照要求，测量系统的等级具有b 级精度，并预留扩展接口。 该系统采用原有试验井场、加载系统和测试流程，并对部分流程进行 改造。 2 3 控制回路部分设计 2 31 概述 该试验台是用作电机性能和标定试验的综合性试验台架，主要试验对 象为5 0 h z 和6 0 h z 的潜油电泵电机。 该试验台的总容量为1 0 0 0 k v a ，其中5 0 h z 部分为1 0 0 0 k v a ，6 0 h z 部 分为5 0 0 k v a 。对原b 级试验台进行改造，使之满足3 0 0 0 v 5 0 0 k v a 容量试 验的要求，新建b 级试验台，达到6 0 0 0 v ，1 0 0 0 k v a 的试验要求。 变频器的容量为5 0 0 k v a ，满足容量为5 0 0 k v a 以下电机试验的要求。 强电控制部分除满足上述试验要求外，还在控制系统中，设计了如下 功能：1 、过流、过压断电保护；2 、速断保护：3 、调压、零位合闸等功能： 4 、与原试验台的联系、互用和互锁功能：5 、电阻测试柜之间的互锁等功 能。 2 3 2 控制回路设计 设计图纸见附录1 。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 1 、主回路的设计 该系统是一个典型的高一低一高变频器系统和5 0 h z 正常供电系统并 联的试验供电系统，回路图如图2 2 所示，电源经变电所送至1 q k ( 低压 真空接触器) 后，分两路进入调压一变压系统，一路为经k m v l 到调压器， 一路为经k m v 2 一变频器k m v 3 到调压器，经调压器一升压器一测量与 控制保护系统到试验电机。 为了保护变频器和整个回路工作的可靠性，低压开关组成三个低压开 关柜，称为低压开关柜组。 正常工作时，回路中各部分的设计电压和电流如下表2 1 所示。 表2 一l 主回路中的电压与电流值 1 q k -1 q k - k m v 2 - 调压器一升升压器一试 位置k m v l 一调压变频器一k m v 3 压器验电机 器调压器 电压值 3 8 03 8 00 6 9 00 6 9 0 0 ( v ) 电流值 1 6 0 08 0 01 1 0 01 0 0 ( a ) 变频器前为两种频率共两种频率共 说明5 0 h z5 0 h z ，变频器用，6 0 h z 时用，6 0 h z 时 后为6 0 h z电流为5 5 0 a电流为5 0 a 备注系统短时的过载能力为2 倍。 2 、主要器件的安装设计 该系统由低压开关柜、高压柜、控制台、变频器柜( 室) 、变压器室、 升压器室等部分组成，各部分之间用电缆联结。 主要部分的安装位置如图2 5 所示。 6 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 调压 器房 变压 器房 c 级 台调 压器 房 c 级 台变 压器 房 c 级 台调 压器 房 c 级 台变 压器 房 计算 机控 制室 改造 b 级 台位 置 新建 b 级 台位 置 新建 b 级 台变 频器 台位 置 试验区 图2 5 试验台的安装位置 各房间距离：从低压开关柜到调压器房约为4 0 米，从调压器房到变压 器房为1 0 米左右( 走上方房顶，走下面，约3 米) ，从变压器房到高压柜 大约为2 7 米左右，低压( 1 6 0 0 a ) 电缆长度共7 5 米左右。 3 、主要柜台的设计 ( 1 ) 、低压进线开关柜 低压开关柜的主要器件有：隔离开关1 q p 、低压真空接触器1 q k 、 k m v l k m v 三个空气断路器，万能转换开关：w k ll w 5 1 5 y h 2 2 ；低 压电压表：4 2 l 6 ，v , 0 4 5 0 v ；电流表、电压互感器、电流互感器、控制电路 等3 个低压开关柜组成；1 q p 和1 q k 组成低压进线柜，柜上有指示灯和对 应按钮3 组，旋转手柄一个。在柜面板的上部有电流表3 块，分别指示三 相电流，电压表1 块，指示进线的电压，通过转换开关，可以实现对三相 电压的检测。隔离开关1 q p 的开关手柄为黑色塑料手柄，位于开关柜面板 的中部，在手柄上有锁紧装置，提出为锁紧，不能对隔离开关进行操作。 按下为放松，可以完成对隔离开关的操作。 在低压进线柜上有的面板上有起、停按钮2 个、指示灯3 个，旋转开 关1 个，起、停按钮指示低压真空断路器的分闸和合闸，指示灯分别指示 低压进线柜进电、低压真空断路器储能和低压真空断路器工作。旋转开关 为真空断路器储能开关，正常工作时，应置在储能位置。当储能指示灯亮 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 时，表示真空断路器储能完成，可以进行操作。指示电压表l 块，电流表3 块( 用来指示输入电流，范围0 2 0 0 0 a ，3 8 0 v ，o 5 级即可) 。 特别说明：低压进线柜的前门上设有安全触点，在前门没有可靠关紧 时，不能启动低压真空断路器。 控制台上的电源，取自低压柜上的隔离开关后，合上隔离开关，控制 台才能正常工作。 ( 2 ) 、低压出线开关柜 低出进线开关柜( 简称低压出线柜) 的主要器件有：k m v l 、k m v 2 、 k m v 3 三个自动空气断路器和相关控制电路，指示灯等组成。由k _ m v l 组 成5 0 h z 测试出线柜，面板上有进线指示灯、k m v l2 1 2 作状态指示灯和k m v l 闭合、断开按钮组成。 由k m v 2 、k m v 3 组成6 0 h z 测试进线、出线柜，面板上有k m v 2 进 线指示灯、k m v 2 工作状态指示灯和k m v 2 闭合、断开按钮，k m v 3 进线 指示灯、k m v 3 工作状态指示灯和k m v 3 闭合、断开按钮等组成。 ( 3 ) 、低压开关柜的控制要求 、1 q k 独立控制，整定要求：当线路出现短路及过流、欠压、过压 等故障时，保证1 q k 先动作，然后k m v l 或k m v 2 、k m v 3 才能动作( 在 变频器工作时，变频器整定保护电流、电压均小于k m v 2 和k m v 3 ) 。 、1 q k 选择要求为a 、a c 控制驱动方式，b 、电动控制( 有手动开 关) ，c 、欠压短延时动作，d 、过载短延时、短路短( 不) 延时动作( 较 k m v i 、k m v 2 、k m v 3 短) ，e 、寿命长，满足5 年无故障的要求，f 、电动 手动共同控制，电动为主，g 、1 q k 在控制台上设急停按钮。 、k m v l 、k m v 2 、k m v 3 要求：a 、a c 控制驱动方式，b 、电动控 制( 有手动开关) ，c 、欠压延时动作，d 、过载长延时、短路短延时动作 ( 较1 q k 长) 。 、在电路设计上，要求k m v i 台时，k m v 2 、3 均不能动作；k m v 2 或k m v 3 合时， k m v l 不能动作；k m v 2 和k m v 3 的控制相对独立。 8 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 ( 4 ) 、高压柜 高压柜内有如下器件：隔离开关2 q p ，高压真空接触器k m v 、保护用 电流互感器3 个，测量用电流互感器3 个，电压互感器2 个，照明灯1 个。 指示灯若干，控制系统1 套。 高压柜面板上有红色指示灯6 个，r d l 5 1 0 2 ；绿灯1 个，电压表1 个 ( v 2 ) ，各指示灯的具体含义如表2 2 所示。 表2 2 高压柜上指示灯的含义 高压真 作用保护投入空断路测量投入 器工作 颜色红色3 个绿色红色3 个 真空断 说明 5 0 51 0 0 53 0 0 5路器工5 0 51 0 0 53 0 0 5 作状态 备注 在真空断路器工作状态的指示灯下，有一紧急分闸按钮，遇紧急情况， 可用它断开高压。 高压柜有一套严密的开关顺序，请按照高压柜面板上的说明，先关好 后门，用门锁关前门，分、合上隔离开关，置工作手柄在工作位置，再用 操作台上的控制按钮控制真空断路器。 注意，要打开高压柜的后门，必须先打开前门，用前门内的门锁开关， 才能打开后门，以保证高压安全。 ( 5 ) 、控制操作台的操作设计 该系统的全部控制元件安装控制操作台内，控制实现在操作台上实现。 各保护动作的操作顺序为： 、过压保护 i k u 或2 k u 闭合叶k a 3 通电+ 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 f 升压断开 降压闭合+ 自动降压 1 k t 6 通电 k t 6 通电l l k m 失电- 短封投入 、过流保护时，i k i i 3 ，2 k 1 1 3 其一闭合k t 2 通电+ 斗k a 4 延时闭合升压回路断开 k a 4 延时闭合降压回路闭合 k a 4 延时闭合_ k t 6 通电斗断高压，投短封 、速断保护时，1 k 1 4 或2 k 1 4 闭合k t 3 一l 上电 卜k a 5 延时通电卜升压回路断开 卜k a 5 延时通电降压回路闭合 卜k a 5 延时通电+ k t 6 上电( 注：k t 3 1 的时间很短( 速断用) ) 、堵转试验时 s t l l 闭k a 8 ( 1 7 ) 通电k t 3 1 断路k t 3 ，2 堵转延 时( 注：k t 3 2 的时间较长( 堵转保护) ) 。 、测试合闸顺序 a 、选量程：s t 5 、6 或7 闭叶k m5 、8 或6 、9 或7 、1 0 通电 k a l 8 、k a l 9 ( 备用) 通电卜量程选定( 量程不可重选) 。k m v 可 以闭合投入。 b 、高压合闸：s t 9 闭+ k m v 通电k a 7 通电k t 5 通电 延时后1 1 k m 可以通电 s t l 0 闭合1 1 k m 通晤- 短封解除( 测量开始) c 、高压分闸s t p 6 断1 1 k m 失龟-短封投入 注l ：k a 7 通电之前( k m v 未闭) ，若按s t 3 ( 升压) 可升压。 注2 ：用小刀闸控制k m v 回路的通断，r 7 、r 1 0 为引出端子，刀闸设 在试验井口处。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第三章潜油电泵试验台测量系统设计 3 1 潜油电机的冷、热态电阻和滑行时间自动测试系统 1 、电机的冷、热态电阻测试原理 潜油电机的冷、热态电阻是电机的重要参数。原有的b 级试验台，设 计了自动测试系统，但由于使用年限过久和当时元器件水平所限，早已不 能使用。这次重新设计，在新、旧b 级试验台上完成电机冷热态电阻的自 动测试。 电机冷热态电阻的测试原理如下： 设潜油电机的绕组为y 型接法，将绕组、标准电阻、标准电源构成一 个回路，这样，在绕组测出电压，即可计算出电机绕组的电阻值。 分压法电阻测试原理如图3 1 ( a ) 如示。 图3 - 1 ( a ) 分压法电阻测试原理图 测试回路的相位测试顺序如图3 1 ( b ) 所示。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 鬻酗糟鼙航纛趟& 警电虮 溯瓣壤曝 图3 - l ( b ) 电阻测试顺序电路图 这里，1 号空开为新b 级试验台电机隔离开关，2 号空开为原b 级试验 台隔离开关，分别控制电阻测试柜，测试各台安装的电机。 测试时，空开