標準GB/T 21411.1-2014在螺桿泵試驗臺建設中的應用

王興燕,李萌,程騰飛

(中國石油集團鉆井工程技術研究院北京石油機械廠,北京 102206)

標準GB/T 21411.1-2014在螺桿泵試驗臺建設中的應用

王興燕,李萌,程騰飛

(中國石油集團鉆井工程技術研究院北京石油機械廠,北京 102206)

螺桿泵是一種水力容積式泵,廣泛用于石油開采、介質輸送等場合.螺桿泵試驗臺是檢測螺桿泵水力性能的關鍵設備,通過工況模擬,采集螺桿泵的技術參數,為螺桿泵的合理應用提供數據參考.北京石油機械廠根據多年螺桿泵的檢測經驗,結合標準GB/T 21411.1-2014對螺桿泵試驗臺提出的新要求,建設了新型螺桿泵試驗臺.新型試驗臺為適應工況需要,采用油、水兩套試驗介質系統;在夾持系統上采用全自動液壓控制,大幅提高了工作效率; 操控系統設計選用基于PLC的測控系統,取參準確快捷,并且增加了遠程監控功能,使試驗臺的自動化程度大大提高.

螺桿泵;GB/T 21411.1;試驗臺

我國于2012年開始對ISO15136-1:2009進行采標,并于2014年發布了GB/T 21411.1-2014《石油天然氣工業井下設備-人工舉升用螺桿泵系統 第1部分螺桿泵》,該標準共計9章14個附錄,涵蓋了螺桿泵設計、設計驗證、設計確認、生產和數據控制、性能評價、維修、操作和貯存的相關要求,成為人工舉升用螺桿泵產品的關鍵驗收標準.標準中對于螺桿泵的關鍵檢測設備螺桿泵試驗臺也提出了較詳盡的要求,螺桿泵試驗臺是檢測螺桿泵水力性能的關鍵設備,所以有一個符合標準要求的功能齊全、性能可靠的試驗臺十分必要.

1 標準對試驗臺的要求

標準GB/T 21411.1-2014對試驗臺的要求主要集中在附錄E性能評價中.水力性能試驗的目的是在特定轉速、溫度和壓差條件下,用指定的介質測量螺桿泵的流量和扭矩.標準指出,關鍵輸入參數應是可控的,流量、扭矩等輸出參數應達到一定的測量精度.

圖1 試驗臺結構示意圖

1.1 試驗臺結構

標準中給出了試驗臺的結構示意圖如圖1.

1.2 儀表精度

標準對試驗參數所需的儀表精度提出了要求,測量壓力、溫度、轉速、流量、泵扭矩的測量儀表的測量精度均要求在±5%內.

表1 螺桿泵臺架測試參數要求

1.3 測試參數要求

標準對測試參數提出了要求,見表1.

2 試驗臺結構及參數

北京石油機械廠根據以往多年生產檢測螺桿泵的經驗,開展了新型螺桿泵試驗臺的建設,并在設計過程中充分考慮GB/T 21411.1-2014對試驗臺的要求.

2.1 試驗臺參數

根據實際生產需要制定的螺桿泵試驗臺參數如表2所示.

表2 新型螺桿泵試驗臺參數

2.2 試驗臺結構

新型螺桿泵試驗臺主要包括以下部分:主驅動裝置、油加載裝置、水加載裝置及電控系統.

主驅動裝置集成在平臺上,如圖2所示,由電機、聯軸器、減速箱、動密封裝置、撓性軸及夾持裝置等構成,為螺桿泵提供動力,使螺桿泵轉子在定子內旋轉,從而將液壓介質吸入排出.

圖2 主驅動裝置示意圖

電機選用ABB強冷式變頻電機,無級調速,電機內帶編碼器,可以實現精確控制,方便快捷地根據試驗要求設定轉速,獲取不同轉速下的螺桿泵水力性能.

減速箱采用SEW斜齒輪一級減速器,可以滿足測試扭矩的要求,輸出端連接扭矩傳感器用于扭矩和轉速的測量.

為了滿足螺桿泵轉子在定子內偏心回轉的需求,設計撓性軸并固定連接在試驗臺上,不用頻繁更換,減小勞動強度.

夾持裝置包括定子固定夾緊鉗1組,移動夾緊鉗1組,水平調整油缸1組,高度調整鉗2組及轉子夾緊鉗1組.可以實現定子自動夾緊及水平移動,轉子同撓軸間的自動上卸扣等功能.夾持裝置的所有控制既可以通過現場的操控按鈕盒操作,也可在控制室內通過微機界面進行操作,并可通過PLC實現自動聯鎖.液壓站設有安全閥以防系統壓力過載.

為了適應不同介質測試的需要,新型螺桿泵試驗臺準備了兩套加載系統:油加載裝置和水加載裝置.加載裝置采用電液比例調節加載方式,可以精確控壓,加載壓力可以利用微機界面進行操作;主系統設置安全閥,作為系統高壓保護;針對油、水介質特性的不同,分別選用齒輪流量計及渦輪流量計進行流量監測,為了滿足不同排量泵的測試要求,油加載裝置中采用兩個相同的齒輪流量計單獨或合并使用,水加載裝置中采用三個大小不同的渦輪流量計分別使用;為了能達到不同的測試介質溫度并且控制螺桿泵運轉時因自生熱而引起的溫升,兩套加載系統均配有加熱與冷卻裝置,加熱溫度4h內可達到80℃,溫度偏差可控制在±2℃內,以盡量減小溫度浮動對螺桿泵水力性能的影響.為了節能,油箱與水箱均采用箱內隔斷結構,便于小排量泵測試時快速加熱與冷卻.

電控系統包括變頻柜、PLC柜及HMI系統,實現對電機、夾持裝置及加載系統的控制.變頻柜采用西門子S120變頻器進行VC矢量控制,PLC柜采用西門子S7-1500PLC,PLC通過Profibus-DP與變頻柜進行通信,通過EtherNet與HMI進行通訊,通過AI模塊采集來自傳感器的溫度、流量、壓力、轉速、扭矩及液位等信號.HMI系統由1個觸摸屏、1臺一體式工控機及西門子最新的SCADA軟件wincc7.2組成,通過PLC獲取數據,完成參數輸入、操作控制等人機交互內容,同時進行數據歸檔、記錄及分析.具有WEB服務器功能,用戶可以在遠程客戶端對現場實驗數據的查看(圖3).

2.3 測控界面及報表

測控界面通過一體式工控機和觸摸屏展示,能夠同時體現豐富的數據信息.操作通過觸摸屏進行,簡單方便,反應靈敏.如圖4所示.

通過wincc7.2進行組態變量和交互界面設計,并且將試驗參數存入后臺數據庫,通過相應的腳本程序可以生成報表和試驗曲線,直觀的查看螺桿泵水力性能情況.

圖3 電控系統示意圖

圖4 操控界面展示

試驗報表的設計根據標準要求進行,包含標準所要求的所有內容,包括試驗日期、測試流體、螺桿泵定轉子編號、測試流體溫度、定子外部溫度、測試環境溫度、入口壓力、轉速、流量、扭矩及效率曲線等.

3 試驗臺建設中的問題

螺桿泵試驗臺是集機、電、液于一體的監測設備,學科綜合性強,在試驗臺調試階段也碰到了一些問題,影響螺桿泵的正常測試和數據采集.通過理論分析及相應整改后,問題都得到了相應的解決.

3.1 定子夾持問題

試驗臺的預定目標是適應60.3～165mm不同管徑的螺桿泵定子的夾持,但在試驗臺調試階段,發現在夾持小直徑螺桿泵定子時有夾持不緊、高壓時滑脫的現象.后通過分析計算,對鉗口的夾持夾角進行優化,可以得到有效改善.優化后再次測試,之前現象消失(圖5).

3.2 空載壓力問題

圖5 夾持鉗口示意圖

在試驗臺建設時空載壓力的指標易被忽略,而這個值對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.對于這個問題,標準中要求給定轉速下流體空載壓力應低于0.35 MPa,新型螺桿泵試驗臺初始調試時發現部分泵的空載壓力高于此值,后對液壓元件進行了排查,加載閥有兩個流道:小比例流量閥和大比例流量閥.經多次試驗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.通過控制系統增加了邏輯判斷功能,使此問題得到解決.

4 試驗臺的應用

試驗臺自2016年建設好以來,已累計試驗螺桿泵400余套次,由于自動化程度提高,安裝時間大幅縮短,除去出入口端的螺紋連接需要手動進行,其余均可自動完成,安裝工作量大幅降低.測控系統測參準確,響應迅速,操作界面清晰友好,試驗報表體現了標準要求的所有內容,并可一鍵生成,為評判螺桿泵性能提供了有力的保障.

5 結語

(1)GB/T 21411.1-2014內容翔實,從產品設計、生產制造、檢驗控制及現場使用角度講均具有較強的指導意義.

(2)對標設計制造的新型螺桿泵試驗臺功能齊全 ,可以滿足螺桿泵出廠檢測的需要及國內外用戶驗收的需求.

(3)新型螺桿泵試驗臺自動化程度高,安裝時間大幅縮短,安裝工作量大幅降低,有效提升了工作效率.

[1]GB/T 21411.1-2014,石油天然氣工業設備[S].人工舉升用螺桿泵系統 第一部分:泵,中國標準出版社,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,周洪濱,郭力謙等.單螺桿泵試驗臺及測控系統設計[J].石油礦場機械,2011,40(7):47-50.

TE933

A

1671-0711(2017)11(下)-0137-03