潛油電泵測(cè)試系統(tǒng)方案

郉厚偉，宋詩光，吳 頻，郝 杰

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

潛油電泵目前已經(jīng)作為主要采油設(shè)備，特別是在油田開發(fā)后期應(yīng)用越來越廣。近年，許多科研機(jī)構(gòu)及潛油電泵生產(chǎn)企業(yè)都花費(fèi)很大精力投入到潛油電泵的測(cè)試方法，提高使用性能。但對(duì)于其測(cè)試方法及性能研究成果較少，國內(nèi)目前還沒有一套公認(rèn)的科學(xué)、合理、能夠充分體現(xiàn)潛油電泵實(shí)際性能的測(cè)試系統(tǒng)，使理論分析和試驗(yàn)結(jié)果相統(tǒng)一，用來指導(dǎo)設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)制造。

1 潛油電泵測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 16750—2008《潛油電泵機(jī)組》，GB/T 12785—2014《潛水電泵試驗(yàn)方法》，API RP 11S2—1997《Recommended Practice for Electric Submersible Pump Testing》，GB/T 3216—2005《離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵試驗(yàn)方法》，GB/T 1032—2005《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》。

2 潛油電泵測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

潛油電機(jī)參數(shù):電機(jī)外徑143 mm、138 mm、114 mm、108 mm、98 mm/95 mm；額定最大功率≤280 kW；額定最大電流≤96 A；額定最大電壓≤2500 V；保護(hù)器外徑尺寸98 mm、130 mm；潛油泵外徑尺寸95 mm、98 mm、130 mm。

3 試驗(yàn)介質(zhì)

按照標(biāo)準(zhǔn)泵出廠進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為清水，相對(duì)密度1.0，常溫；為配合潛油電泵可以模擬現(xiàn)場(chǎng)多種工況的運(yùn)行情況，以及潛油電泵技術(shù)研究開發(fā)，測(cè)試系統(tǒng)配套小流量多項(xiàng)流液氣混合系統(tǒng)（80 L/min），可實(shí)現(xiàn)油氣水按不同要求進(jìn)行混合，測(cè)試潛油電泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)。水介質(zhì)由水箱經(jīng)過供水管進(jìn)入吸入口，氣體經(jīng)供氣管線進(jìn)入注氣室，并在此與水混合后進(jìn)入泵，通過泵后，經(jīng)高壓閥門及回水管返回水箱。電機(jī)提供動(dòng)力，在電機(jī)和止推室之間安裝轉(zhuǎn)矩傳感器，用于測(cè)量泵軸的輸入轉(zhuǎn)矩；在吸入口處泵出口和高壓閥門之間各安裝一個(gè)壓力表，用于測(cè)量泵入口及出口處壓力；流量計(jì)安裝在供水管線上，用于測(cè)量進(jìn)入泵的介質(zhì)流量。

4 測(cè)試系統(tǒng)儀器儀表配置

儀器、儀表選擇要求符合GB 16750—2008 第6.1.1 項(xiàng)要求，具體配置:試驗(yàn)時(shí)采用的電壓、電流互感器精度不低于0.2級(jí)；電氣測(cè)量儀表（兆歐表除外）、轉(zhuǎn)矩儀精度不低于0.5 級(jí)；頻率、轉(zhuǎn)速表精度不低于0.1 級(jí)；直流泄漏儀精度不低于0.2 級(jí)；流量、揚(yáng)程（壓力）儀表精度不低于1.0 級(jí)；直流電阻測(cè)量儀表精度不低于0.2 級(jí)；振動(dòng)測(cè)試傳感器精度不低于0.2 級(jí)；溫度表精度誤差在±1 ℃以內(nèi)。

5 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置（表1）

表1 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

6 試驗(yàn)臺(tái)操作控制系統(tǒng)

試驗(yàn)室測(cè)控系統(tǒng)采用功能分層、分散控制的設(shè)計(jì)思想，利用高速通信網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算機(jī)、智能儀表和可編程控制器相互聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的共享，完成監(jiān)視、操作、管理和控制等功能。

（1）集中管理層。由1 臺(tái)或多臺(tái)操作員站和1 臺(tái)工程師站組成，給操作和管理維護(hù)人員提供人機(jī)界面。能準(zhǔn)確顯示過程控制情況和程控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，記錄設(shè)備的啟停時(shí)間和故障發(fā)生及消除時(shí)間；打印各種報(bào)表并能故障報(bào)警；在線修改控制參數(shù)和軟件操作；通過網(wǎng)絡(luò)與分散監(jiān)控層連接，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息；還可與管理網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，向管理網(wǎng)發(fā)送相關(guān)信息。

（2）分散監(jiān)控層。由多個(gè)過程監(jiān)控裝置組成分散監(jiān)控層，每個(gè)過程監(jiān)控裝置作為一個(gè)子系統(tǒng)，將整個(gè)過程控制分成幾個(gè)局部過程控制或單元控制系統(tǒng)。各子系統(tǒng)功能相對(duì)獨(dú)立，采集各自對(duì)象的輸入信號(hào)和被控制信號(hào)，運(yùn)算處理后輸出控制信號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)與集中管理層以及其他各子系統(tǒng)連接，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

（3）現(xiàn)場(chǎng)控制層。由多臺(tái)就地控制操作裝置組成，具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作、手動(dòng)和自動(dòng)控制的電氣聯(lián)鎖和切換功能，具有驅(qū)動(dòng)電氣設(shè)備，非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換等手動(dòng)操作功能。集中管理層和分散監(jiān)控層之間用高速通信網(wǎng)連接，分散監(jiān)控層與現(xiàn)場(chǎng)控制層之間通過測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)電纜一一對(duì)應(yīng)連接。

7 試驗(yàn)臺(tái)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）試驗(yàn)臺(tái)管路上的高壓門型活動(dòng)管路、高壓彎管以及測(cè)流管路按廠房基本要求布置，滿足目前生產(chǎn)的所有機(jī)組試驗(yàn)?zāi)芰Φ囊蟆?/p>

（2）管路上的電磁流量計(jì)、電子執(zhí)行器、高壓調(diào)節(jié)閥、壓力變送器等部件均按照標(biāo)準(zhǔn)精度要求配置；準(zhǔn)確校核操作臺(tái)閥門控制儀表和電子執(zhí)行器的動(dòng)作匹配，達(dá)到對(duì)潛油電泵機(jī)組流量和揚(yáng)程（壓力）精確控制要求。

（3）電動(dòng)截止閥。電動(dòng)截止閥采用多回轉(zhuǎn)閥門電動(dòng)裝置，使閥芯作上下直線運(yùn)動(dòng)，采用380 V 或220 V 控制電源。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制閥門的打開或關(guān)閉，具有重量輕、密封可靠的優(yōu)點(diǎn)。閥桿升降螺紋采用左旋梯形螺紋，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪為關(guān)，反時(shí)針旋轉(zhuǎn)為開，與習(xí)慣一致。采用錐形密封副結(jié)構(gòu)，它靠金屬閥芯與閥座錐面之間的自由貼合實(shí)現(xiàn)密封，閥芯和閥座表面都焊硬質(zhì)合金，使之具有良好耐磨性和防腐能力。閥蓋和閥體采用雙頭螺栓連接，密封件為不銹鋼墊環(huán)，它使閥蓋與閥體的裝配間隙很小，減小甚至消除了腐蝕介質(zhì)對(duì)螺栓和螺孔的侵蝕。

（4）電動(dòng)調(diào)壓閥。該閥閥桿頭部設(shè)計(jì)為筒形錐面，堆焊硬質(zhì)合金，閥座采用鎢鈦合金制成，具有良好的抗沖刷和耐腐蝕能力，安裝使用方便。閥桿頭部采用錐面結(jié)構(gòu)，經(jīng)得起大流量流體的沖刷。閥桿頭部錐面結(jié)構(gòu)能夠更加準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量大小。

（5）閥門控制。電源380 V 或220 V，控制信號(hào):4～20 mA。

8 試驗(yàn)臺(tái)強(qiáng)電控制系統(tǒng)配置

（1）工位1、2 配電系統(tǒng)參數(shù)滿足額定功率140 kW，額定電流48 A，額定電壓2282 V 的電泵機(jī)組整機(jī)試驗(yàn)要求。

（2）工位3、4 調(diào)壓器原邊6 kV 側(cè)增加一臺(tái)高壓接觸器柜，用來分合調(diào)壓器原邊6 kV 電壓，避免高壓開關(guān)柜頻繁分合導(dǎo)致高壓開關(guān)失靈。

（3）工位3、4 的試驗(yàn)啟動(dòng)方案為調(diào)壓器后端軟啟動(dòng)器啟動(dòng)裝置，完成電泵機(jī)組的軟啟軟停，避免調(diào)壓器直給電機(jī)啟動(dòng)的模式，導(dǎo)致調(diào)壓器渦輪蝸桿損壞。

（4）工位3、4 啟動(dòng)柜應(yīng)具有工頻、軟啟雙向選擇功能，可通過試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行操控選擇。

9 試驗(yàn)臺(tái)軟件采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)具備井下傳感器的通信能力，使用井下傳感器采集振動(dòng)和溫升數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。井下傳感器具備RS485 通信接口。

（2）工位1～3 具備試驗(yàn)介質(zhì)溫度測(cè)量、滑行時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速、熱冷態(tài)電阻采集以及機(jī)組電參數(shù)的采集設(shè)備，提供完善連接工裝。

（3）工位4 除具備以上功能外，還應(yīng)具備機(jī)組振動(dòng)測(cè)試功能，電泵機(jī)組尺寸。

（4）試驗(yàn)臺(tái)完成數(shù)據(jù)采集、分析、試驗(yàn)曲線繪制，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)GB 16750 等相關(guān)要求自動(dòng)判定機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否合格，生成試驗(yàn)報(bào)告。

10 測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用

本測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過幾年運(yùn)行試驗(yàn)，完成了各種型號(hào)潛油電泵的出廠測(cè)試，針對(duì)幾種潛油電泵配合研究產(chǎn)品升級(jí)，模擬現(xiàn)場(chǎng)不同工況，不同介質(zhì)性質(zhì)，不同壓力條件完成測(cè)試。為研究開發(fā)提供了一套完善測(cè)試系統(tǒng)，可以得到最接近潛油電泵在現(xiàn)場(chǎng)工作條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步研究提供有效數(shù)據(jù)支撐。