采油螺桿泵的性能模擬實(shí)驗(yàn)研究

楊平(中國石化有限公司勝利油田分公司純梁采油廠)

采油螺桿泵的理論研究需要綜合理論力學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，難度較大，而實(shí)驗(yàn)研究是解決螺桿泵油氣舉升過程研究的有效途徑。科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)裝置將不僅可以保證螺桿泵實(shí)驗(yàn)研究的硬件支持，而且也可對理論研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。采油螺桿泵性能模擬實(shí)驗(yàn)裝置需要實(shí)現(xiàn)對油氣舉升過程的實(shí)際工況進(jìn)行模擬，為螺桿泵采油技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供支持，能夠創(chuàng)造明顯的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

一、螺桿泵性能模擬實(shí)驗(yàn)裝置定位

1.功能要求

(1)水力特性。測定不同溫度、轉(zhuǎn)速、壓力條件下，螺桿泵流量、扭矩、效率及進(jìn)出口介質(zhì)溫度等參數(shù)；

(2)實(shí)驗(yàn)全過程對螺桿泵特性監(jiān)控。實(shí)時(shí)及可視化對泵內(nèi)部壓力與溫度狀況進(jìn)行監(jiān)視與測定；

(3)靜壓實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證螺桿泵的密封效果和橡膠質(zhì)量；

(4)破壞實(shí)驗(yàn)。提高螺桿泵的轉(zhuǎn)速、實(shí)驗(yàn)介質(zhì)溫度或使用高溶脹介質(zhì)等，以加速螺桿泵定子的失效，進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)；

(5)模擬仿真。保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的重要參數(shù)與螺桿泵作業(yè)現(xiàn)場基本保持一致。

2.實(shí)驗(yàn)要求

(1)螺桿泵在高速、高溫、高壓條件下不發(fā)生滲漏，密封部件具有很好的抗老化和抗高溫性能，需要設(shè)置異常自動(dòng)報(bào)警和防護(hù)措施；

(2)對實(shí)驗(yàn)全過程中螺桿泵內(nèi)壓力及溫度能夠?qū)崿F(xiàn)可視化、實(shí)時(shí)監(jiān)控與檢測；

(3)認(rèn)真做好管匯清洗，保證干凈徹底，能夠滿足對其他實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的要求。

二、螺桿泵性能模擬實(shí)驗(yàn)裝置研究

1.工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)和實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)工藝流程包括三個(gè)相互獨(dú)立、互不干涉的主要流程及一個(gè)輔助流程，各流程的切換只需轉(zhuǎn)換螺桿泵進(jìn)出口地連接即可。

第一個(gè)主要流程是標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程，用于對標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。主要是調(diào)節(jié)螺桿泵不同介質(zhì)溫度和出口壓力，實(shí)時(shí)測定工作流量、扭矩與轉(zhuǎn)速，并通過計(jì)算得出泵的輸入與輸出功率及容積效率，從而檢測螺桿泵的水力特性。

第二個(gè)主要流程是特殊實(shí)驗(yàn)流程。該實(shí)驗(yàn)流程主要是實(shí)驗(yàn)不同的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的混合比例及采出液中加氣等條件對螺桿泵的影響，也是通過對各參數(shù)的測定達(dá)到檢測螺桿泵的水力特性的目的。

第三個(gè)主要流程是混砂實(shí)驗(yàn)流程。該流程中往混砂罐加砂，并讓混有砂的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)通過螺桿泵，實(shí)驗(yàn)該種條件下螺桿泵的磨損狀況。

輔助流程是清洗流程，完成對三個(gè)主要流程的清洗。在每次實(shí)驗(yàn)前對將進(jìn)行的主要流程進(jìn)行清洗，以確保螺桿泵及各儀表處于正常工作狀態(tài)，為實(shí)驗(yàn)的有效進(jìn)行提供保障；另外保證不同實(shí)驗(yàn)之間實(shí)驗(yàn)介質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生相互干擾。清洗流程與特殊實(shí)驗(yàn)流程共用一個(gè)流程，只需在清洗時(shí)用清洗罐替代儲(chǔ)液罐2即可。

2.機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)

螺桿泵采用變頻電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，通過變頻器調(diào)節(jié)螺桿泵轉(zhuǎn)速。根據(jù)螺桿泵型號參數(shù)，可計(jì)算出螺桿泵小樣約為540～3000mm，再考慮螺桿泵兩端的連接接箍、轉(zhuǎn)子與定子及其連接器等，整體長度將達(dá)到8.5m長，考慮到空間限制，將該實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)成臥式結(jié)構(gòu)，前段是8.5m長的實(shí)驗(yàn)檢測部分，后段是螺桿泵拆裝平臺(tái)，長為4m，總長為12.5m。

機(jī)械傳動(dòng)部分可分為實(shí)驗(yàn)臺(tái)和拆裝平臺(tái)兩大部分。其中實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括：①電機(jī)，選用MDSP200L1-6型6極電機(jī)，額定功率18.5千瓦，額定電流為38安培，額定扭矩是181.2Nm，極限轉(zhuǎn)速是975r/m in；②變速器，選用17BJ25-00030A型東風(fēng)變速箱，有五檔變速，最大/最小變速比是7.31/1，最大輸入扭矩是550Nm；③旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封；④轉(zhuǎn)子與定子連接；⑤夾緊裝置；⑥彈性聯(lián)軸器；⑦支承輥，采用滾動(dòng)支承與絲杠組合結(jié)構(gòu)；⑧底座，采用焊接鋼結(jié)構(gòu)將傳動(dòng)、電機(jī)、變速箱等各裝置底座合成。拆裝平臺(tái)包括：①電機(jī)，選用4極1.5kw的普通電機(jī)；②變速器，選用R8-Y 5.5-4P-56.38-M 1-I型變速箱，輸出扭矩是542Nm，輸出轉(zhuǎn)速為25r/m in；③夾緊裝置采用手動(dòng)夾緊；④支承輥與實(shí)驗(yàn)臺(tái)共用；⑤底座，采用整體式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌移動(dòng)。

3.液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)夾緊鉗的夾緊控制。其執(zhí)行元件是兩個(gè)驅(qū)動(dòng)夾緊裝置的馬達(dá)。整個(gè)系統(tǒng)另外還包括油箱、油水過濾器、溢流閥、壓力表、液壓泵、節(jié)流閥、電磁換向閥、二位電磁閥以及油管與密封元件等。其中溢流閥與二位電磁閥調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)壓力大小，并通過壓力表指示出來。節(jié)流閥通過調(diào)節(jié)進(jìn)入馬達(dá)液壓油排量的大小控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，電磁換向閥通過切換液壓馬達(dá)進(jìn)出油口來實(shí)現(xiàn)馬達(dá)正反轉(zhuǎn)的切換。

4.保溫與加熱設(shè)計(jì)

由于采油螺桿泵的性能模擬實(shí)驗(yàn)有很多需要在高溫條件下進(jìn)行，所以需要對設(shè)備和管線進(jìn)行保溫處理。采用雙層保溫結(jié)構(gòu)，分別選用太空絕熱瓷層和復(fù)合硅酸鹽絕熱涂料。該種結(jié)構(gòu)具有較好的保溫效果、較高的機(jī)械強(qiáng)度，還能夠起到防水、防蒸汽的保護(hù)作用。以散熱量為基準(zhǔn)，根據(jù)GB4272-92可計(jì)算出保溫層厚度分別為：太空絕熱瓷層厚0.5mm，復(fù)合硅酸鹽絕熱涂料厚25mm。

加熱系統(tǒng)主要對三個(gè)部分提高所需熱量：循環(huán)系統(tǒng)的介質(zhì)達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度、相關(guān)聯(lián)的設(shè)備與管匯達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度以及設(shè)備與管線外表面的散熱。

5.安全防護(hù)、環(huán)保及布局設(shè)計(jì)

安全防護(hù)主要包括三個(gè)部分：①螺桿泵轉(zhuǎn)子、定子以及各配件的拆裝作業(yè)，實(shí)現(xiàn)各流程間切換的機(jī)械自動(dòng)化，以降低實(shí)驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。整個(gè)系統(tǒng)操作力求簡便；②實(shí)驗(yàn)裝置中所有暴露的轉(zhuǎn)動(dòng)部件都應(yīng)裝防護(hù)罩，信號線與動(dòng)力線分開走線布置，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域要布置攝像頭進(jìn)行監(jiān)控；③管道與閥門內(nèi)部要進(jìn)行防腐與防銹處理，能承受10MPa壓力。

環(huán)境保護(hù)主要依據(jù)ISO9001及采油院QHSE要求，收集回收實(shí)驗(yàn)過程中泄露的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，盡量減少環(huán)境污染。

系統(tǒng)布局首先保證實(shí)驗(yàn)裝置的功能性要求，在此前提下做到系統(tǒng)布局的科學(xué)性和合理性。

結(jié)束語

采油螺桿泵性能模擬實(shí)驗(yàn)裝置的研究實(shí)現(xiàn)了對螺桿泵實(shí)際工況的有效模擬與檢測，不僅可以對采油螺桿泵的制造與裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測，大大增加了一次投產(chǎn)的成功率，而且也為采油螺桿泵的理論研究提供了有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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