潛油電泵測試系統(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，許多科研機構(gòu)及潛油電泵生產(chǎn)企業(yè)都花費很大精力投入到潛油電泵的測試方法，提高使用性能。但對于其測試方法及性能研究成果較少，國內(nèi)目前還沒有一套公認的科學、合理、能夠充分體現(xiàn)潛油電泵實際性能的測試系統(tǒng)，使理論分析和試驗結(jié)果相統(tǒng)一，用來指導設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)制造。

1 潛油電泵測試系統(tǒng)執(zhí)行標準

GB/T 16750—2008《潛油電泵機組》，GB/T 12785—2014《潛水電泵試驗方法》，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方法》，GB/T 1032—2005《三相異步電動機試驗方法》。

2 潛油電泵測試系統(tǒng)技術(shù)指標

潛油電機參數(shù):電機外徑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 試驗介質(zhì)

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

4 測試系統(tǒng)儀器儀表配置

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

5 試驗臺試驗參數(shù)設(shè)置（表1）

表1 試驗臺試驗參數(shù)設(shè)置

6 試驗臺操作控制系統(tǒng)

試驗室測控系統(tǒng)采用功能分層、分散控制的設(shè)計思想，利用高速通信網(wǎng)絡(luò)將計算機、智能儀表和可編程控制器相互聯(lián)接，實現(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 臺或多臺操作員站和1 臺工程師站組成，給操作和管理維護人員提供人機界面。能準確顯示過程控制情況和程控系統(tǒng)運行狀況，記錄設(shè)備的啟停時間和故障發(fā)生及消除時間；打印各種報表并能故障報警；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。由多個過程監(jiān)控裝置組成分散監(jiān)控層，每個過程監(jiān)控裝置作為一個子系統(tǒng)，將整個過程控制分成幾個局部過程控制或單元控制系統(tǒng)。各子系統(tǒng)功能相對獨立，采集各自對象的輸入信號和被控制信號，運算處理后輸出控制信號，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)場控制層。由多臺就地控制操作裝置組成，具有現(xiàn)場手動操作、手動和自動控制的電氣聯(lián)鎖和切換功能，具有驅(qū)動電氣設(shè)備，非電量信號轉(zhuǎn)換等手動操作功能。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)場控制層之間通過測量信號和控制信號電纜一一對應(yīng)連接。

7 試驗臺管路系統(tǒng)設(shè)計

（1）試驗臺管路上的高壓門型活動管路、高壓彎管以及測流管路按廠房基本要求布置，滿足目前生產(chǎn)的所有機組試驗能力的要求。

（2）管路上的電磁流量計、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準精度要求配置；準確校核操作臺閥門控制儀表和電子執(zhí)行器的動作匹配，達到對潛油電泵機組流量和揚程（壓力）精確控制要求。

（3）電動截止閥。電動截止閥采用多回轉(zhuǎn)閥門電動裝置，使閥芯作上下直線運動，采用380 V 或220 V 控制電源。實現(xiàn)遠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。閥桿升降螺紋采用左旋梯形螺紋，順時針旋轉(zhuǎn)手輪為關(guān)，反時針旋轉(zhuǎn)為開，與習慣一致。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)對螺栓和螺孔的侵蝕。

（4）電動調(diào)壓閥。該閥閥桿頭部設(shè)計為筒形錐面，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:4～20 mA。

8 試驗臺強電控制系統(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 的電泵機組整機試驗要求。

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

（3）工位3、4 的試驗啟動方案為調(diào)壓器后端軟啟動器啟動裝置，完成電泵機組的軟啟軟停，避免調(diào)壓器直給電機啟動的模式，導致調(diào)壓器渦輪蝸桿損壞。

（4）工位3、4 啟動柜應(yīng)具有工頻、軟啟雙向選擇功能，可通過試驗臺進行操控選擇。

9 試驗臺軟件采集系統(tǒng)設(shè)計

（1）試驗臺測試系統(tǒng)具備井下傳感器的通信能力，使用井下傳感器采集振動和溫升數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)驗證。井下傳感器具備RS485 通信接口。

（2）工位1～3 具備試驗介質(zhì)溫度測量、滑行時間、電機轉(zhuǎn)速、熱冷態(tài)電阻采集以及機組電參數(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)具備機組振動測試功能，電泵機組尺寸。

（4）試驗臺完成數(shù)據(jù)采集、分析、試驗曲線繪制，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，依據(jù)GB 16750 等相關(guān)要求自動判定機組試驗數(shù)據(jù)是否合格，生成試驗報告。

10 測試系統(tǒng)應(yīng)用

本測試系統(tǒng)經(jīng)過幾年運行試驗，完成了各種型號潛油電泵的出廠測試，針對幾種潛油電泵配合研究產(chǎn)品升級，模擬現(xiàn)場不同工況，不同介質(zhì)性質(zhì)，不同壓力條件完成測試。為研究開發(fā)提供了一套完善測試系統(tǒng)，可以得到最接近潛油電泵在現(xiàn)場工作條件下的運行數(shù)據(jù)，為進一步研究提供有效數(shù)據(jù)支撐。