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油田用往復泵性能測試系統方案

來源: 作者: 發布日期:2020-06-22 15:01:47

作者: (1.機械工業上海藍亞石化設備檢測所有限公司,上海 201518;2.長慶油田分公司第九采油廠,寧夏銀川 750001;3.渤海石油裝備制造有限公司鉆采裝備銷售公司,天津 300280)

摘 要:介紹一種油田用往復泵性能測試系統方案,使用微型計算機自動完成往復泵的型式試驗及出廠試驗。依據 SY/ T 7086—2016《石油天然氣工業 鉆井和采油設備壓裂泵送設備》及 SY/ T 5211—2016《石油天然氣鉆采設備壓裂成套裝備》相關標準測試方法,該系統對往復泵試驗過程自動控制、自動加載和計算處理試驗數據進行分析。可通過人工 / 自動切換開關轉換到手動狀態,由人工操作控制試驗。

 
0 引言
         往復泵在石油礦場中廣泛應用于石油鉆井、酸化壓裂、注水等生產中。隨著石油工業對往復泵的要求越來越高,往復泵向著輸出壓力高、流量大、制造和維修方便、流量壓力脈動小、體積和重量小等方向發展。我國往復泵行業產量超過 460 萬臺,消費量超過 418 萬臺,且每年以 10%~15%的速度增長。
 
         國內關于 1640 kW (2200 HP) 及以下鉆井泵、1864 kW(2500 HP)及以下壓裂泵的滿功率傳動試驗系統較少,特別是能夠滿足 1640 kW 以上鉆井泵、1700 kW 以上壓裂泵的部分功率各項試驗。機械工業上海藍亞石化設備檢測所有限公司作為國家鉆采煉化設備質量監督檢驗中心,建設了具備上述試驗能力的傳動試驗裝置。該系統從 2011 年立項,歷時 4 年建成,為我國石油鉆采行業鉆井泵與壓裂泵的性能測試提供一個非常好的的檢驗檢測平臺,必將促進我國鉆井泵與壓裂泵產品向巨型化、高可靠性、高效能方向發展,達到世界技術kao_qian水平。 
 
1 設計原則
         (1)實用原則。試驗系統設計可滿足目前國內使用非常多的鉆井泵滿功率試驗,同時兼顧國內目前常規非常大功率鉆機絞車滿功率試驗。能滿足包括壓裂泵在內的石油工業用泵的型式試驗、性能鑒定以及商檢等功能。以追求實用、設備利用率較高為原則。 
         (2)可擴展性原則。試驗系統設備配置及試驗工藝設計在保證當前產品測試功能的前提下,同時留有可擴展的空間。 
         (3)非常大靈活性原則。試驗系統設計盡可能采用靈活多變的裝卡方式,方便以后各種試驗要求。 
 
2 動力系統配置
         (1)直流電機。配有 750 kW、1600 kW 和 2000 kW 直流電機作為測試系統動力源,根據測試對象額定功率不同,可匹配不同規格電機。750 kW 直流電機基轉速為 1125 r/min,非常高轉速為 2000 r/min,非常大扭矩可達 7213 N·m;1600 kW 直流電機基轉速為 650 r/min,非常高轉速為 1000 r/min,非常大扭矩可達 21 900 N·m;2000 kW 直流電機基轉速為 313 r/min,非常高轉速為 1000 r/min,非常大扭矩可達 60 000 N·m。 
         (2)變速器。2000 kW 增速器 2 臺,1 臺增速比為 1∶1.5,輸入轉速為 0~1000 r/min;另 1 臺增速比為 1∶2.118,輸入轉速為0~1000 r/min。2000 kW 減速器 3 臺,2 臺減速比為 1.909∶1,輸入轉速為 0~1000 r/min;另 1 臺減速比為 1.423∶1,輸入轉速為350~526 r/min,作為二級減速設備;齒輪變速器 1 臺,增速比為1∶1.79、減速比為 2.19∶1,作為備用。變速器配有專門的冷卻潤滑系統,確保變速器正常運轉。 
         (3)連接設備。1 臺聯軸器,若干半尺法蘭和過度法蘭。 
         (4) 扭矩轉速傳感器。用于測量往復泵輸入轉速與輸入扭矩。配有不同規格若干臺,根據不同測試對象進行匹配安裝,具體參數:DSTP-5000 非常大負載扭矩為 49 000 N·m,非常高轉速為1500 r/min,JC4B 非常大負載扭矩為 50 000 N·m,非常高轉速為2000 r/min,DSTP-2000 非常大負載扭矩為 19 600 N·m,非常高轉速為 2000 r/min,DSTP-1000 非常大負載扭矩為 9800 N·m,非常高轉速為 1000 r/min。 
 
3 循環系統
         (1)高壓管匯。2 英寸高壓管線,額定壓力 140 MPa;4 英寸高壓管線,額定壓力 70 MPa。 
         (2)憋壓閥組。用于調節循環介質(清水)壓力。空載循環時所有調節閥處于全開位置,逐級加壓的過程中,調節閥按照固定順序逐漸關閉,壓力變送器實時監測閥前后壓力,確保每臺閥門的閥前、閥后壓力在規定范圍內;泄壓過程中閥門動作順序相反。 
         (3)低壓管匯。為 4 英寸常壓管線,法蘭連接。設計時保有一穩壓段,用于安裝電磁流量計,穩壓段分為兩路,4 英寸管線走大流量,2 英寸管線走小流量,用以提高流量測量精度。通過電動閘閥切換管路。低壓管匯末端需提供背壓,以確保流量測量時為滿管狀態。 
         (4)循環水箱。循環水箱為 4×45 m3,用于循環介質(清水)過渡存儲。灌注泵 2 臺,流量 300 m3/h,揚程 50 m,功率 75kW,一備一用,通過電動閘閥進行切換。水箱配有排泄口與注水口,用于循環介質(清水)的排放與注入。 
         (5)吸入管匯。為低壓管線,通徑 12 英寸。一端與灌注泵相連,同時與循環水箱直接相通,用于往復泵自吸測試,通過電動閘閥進行切換。吸入管匯另一端通過金屬軟管與往復泵連接。 (6) 主要儀表。壓力變送器測量往復泵排出壓力和吸入壓力;電磁流量計測量往復泵排出流量和吸入流量;溫度變送器分別測量往復泵排出溫度和吸入溫度。 
 
4 控制測試系統
         (1)測量控制系統。采用先進可靠的自動控制和數據自動采集、處理系統。根據往復泵、傳動機組或其他被試件的相關標準要求,自動設置試驗程序,自動或手動完成試驗,記錄打印表格和特性曲線,超限報警,現場視頻監控設施等;測功機校準裝置(靜、動校準)。 
         (2)測量參數。泵出口壓力、流量、泵沖次、輸入扭矩、輸入轉速、試驗液溫度、關鍵部件溫度等。因泵出口壓力波動較大,且有滯后,應具備瞬間采集數據能力,并能提供較長時間段(以 s 為單位)的平均值,否則無法計算泵的效率。 
         (3)計算數據。泵的容積效率、總效率等。考慮各種過載保護和聯動防止誤操作,特別是電機電流、高壓管匯壓力及傳動軸扭矩等會引起重大事故的控制點,應設置過載保護。儀表精度應小于 0.2%。 
 
5 系統設備方案
         (1)設備組成。動力設備(直流電機)+傳動設備(變速器)+被測設備(往復泵)+循環系統。其中循環系統包括:高壓管線(與往復泵液力端排出口相接)+憋壓閥組+低壓管線+循環水箱+吸入管線(與往復泵液力端吸入口相接)。 
         (2)測試參數。扭矩轉速傳感器(與被測設備動力端輸入軸相連),用于測量被測設備的輸入扭矩和輸入轉速;電磁流量計(安裝于低壓管線直管段),用于測量被測設備的排出流量;壓力變送器(安裝于被測設備液力端排出口),用于測量被測設備的排出壓力;壓力變送器(安裝于被測設備液力端吸入口),用于測量被測設備的吸入壓力;溫度變送器(安裝于被測設備液力端吸入口);電磁流量計(安裝于被測設備液力端吸入口),用于測量被測設備的吸入流量。 
         (3)憋壓過程。當被測設備達到額定測試轉速后,需要按照測試方案的要求進行憋壓。憋壓閥組逐級加壓過程中,調節閥按照固定順序逐漸關閉;調節閥在逐次關閉過程中要保持閥門壓力不高于試驗系統的閥門壓力,閥前后壓力由壓力變送器實時監測,確保每臺閥門的閥前、閥后壓力在規定范圍內;泄壓過程中閥門的動作順序相反。 
         (4)測試結果。當被測設備的輸入轉速、排出壓力達到穩定狀態后,可測得電磁流量計的排出流量,以及扭矩轉速傳感器的輸入扭矩,根據上述 4 個參數可得出往復泵的總效率、容積效率。 
         (5)裝夾定位。管路系統采用固定基座,安裝定位后不再隨試驗泵不同而變化;吸入管和排出管采用可移動柔性連接方式。動力、測量及被試泵的裝夾定位采用工字鋼排列而成的鋼底座,可方便適應不同泵的裝卡,安裝。也可采用簡單的底座,適應幾種固定形式的泵。 
         (6)試驗液冷卻。采用一套強制冷卻系統,散去試驗液產生的熱量,保持試驗液溫升在一定范圍內。變速箱采用強制冷卻系統,配置兩套潤滑油冷卻系統,潤滑油采用水冷;循環水罐及強制冷卻系統安裝在試驗廠房外,用管線連接。 
 
6 結論
         往復泵測試系統 2015 年 10 月建設完成,當年通過了上海市質量技術監督局及國家質量技術監督局驗收。試驗室布置、設備配置、控制水平、測試精度、測試范圍(動力、流量)、安裝和節能減排等方面都達到了國家先進水平。近幾年先后為國內多家往復泵生產企業進行了型式試驗,測試的泵型號:F2200、F1600、F1300泥漿泵,YL2800-70、YL2500-105、YL1400-140 壓裂泵;測試過程及測試結果均得到了往復泵生產企業的認可,也為企業往復泵的技術升級和產品改進提供了非常準確的非常好手現場數據。

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