往復泵測試系統方案優化設計

周 軍，趙君普，閆明明

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

在石油鉆采機械設備中往復泵的應用非常廣泛，涉及石油鉆井、固井、注水、壓裂、抽油等生產環節。往復泵的設計生產、制造過程、出廠測試等各環節都尤為重要，對往復泵的后期使用效果起到關鍵作用。往復泵測試系統對其輸入功率、流量、壓力、功率等方面進行測量，通過測試數據繪制其工作特性曲線來表明泵流量、輸入功率、效率等與泵輸出壓力的關系，也就是這臺泵的性能曲線[1，3]。本往復泵測試臺主要用于公司生產的高壓注水泵、增壓注水泵、注聚合物泵的型式試驗和出廠試驗。方案優化對往復泵測試系統的組成、功能范圍及相關的技術要求、質量保證、項目驗收等內容進行設計。通過對該測試系統的優化升級，解決測試系統目前存在的各種問題，杜絕注水泵在高壓試驗過程中的各種安全隱患[1]。

1 往復泵測試系統組成

（1）往復泵測試系統。包括主實驗平臺流程管路系統（4 工位各一套）、電氣傳動系統、控制采集系統、監控系統、喂水泵及喂水管路系統等五大系統。

（2）測試平臺液路系統。包括4 個獨立實驗平臺系統，分別為1#、2#、3#、4#等4 個實現不同功率需要的被測試平臺系統，其主要包括低壓手動調節閥門、輸入端低壓管路及附件、輸入端管路支撐、多級串聯高壓調節閥門（組）、輸出端高壓管路及附件、輸出端出口管路支撐、輸入、輸出端管線與注水泵連接便捷調節裝置、輸入端壓力傳感器及耐振壓力表、輸出端壓力傳感器及耐振壓力表、止回閥等。

（3）電氣傳動系統。8 臺動力柜，總電源柜、離心泵組啟動柜、注水泵110 kW 變頻柜、30 kW 工頻柜，注水泵250 kW 變頻柜、注水泵355 kW 變頻柜、600 kW 變頻柜、外來控制柜提供電源、PLC 柜。

（4）控制采集系統（4 工位各一套）。包括進出口壓力、流量、電參數、潤滑油溫度、電機溫度等；振動、轉速、噪聲檢測傳感器做出可移動式。檢測元件采用DC 24 V 供電并進行有效防護，安裝位置防塵、防水、耐振、易于更換維護。通過RVVP 屏蔽電纜與PLC 輸入端口相連接，可移動檢測元件設置航空插頭，方便拆裝，現場檢測元件防水等級為IP67。采集的信號增加信號隔離器，防止信號相互干擾。

（5）監控系統。計算機監控系統界面有測試系統監控總界面、單獨注水泵界面、保護值設置界面、試驗泵各種曲線顯示界面等。在操作室內安裝1 臺32 in 液晶顯示器，5 套現場攝像頭（供水系統前置注水泵一套，1#～4#位4 套），顯示器上分為九宮格，可以進一步放大單個界面。操作員可根據需要自由切換，同時顯示不同位置畫面。在操作室內可方便監視供水系統和各試驗臺的運行狀態。主要完成對系統參數的設定、試驗曲線顯示、運行狀態顯示、報警、數據處理以及打印等。

（6）喂水泵及喂水管路系統。包括離心式喂水泵4 臺（配置：12.5 m3/h、0.3～0.5 MPa；50 m3/h、0.3～0.5 MPa；100 m3/h、0.3～0.5 MPa；200 m3/h、0.3～0.5 MPa）、喂水泵輸入、輸出管路及附件、高壓調壓閥門、溢流閥及管路附件等；在增壓注水泵試驗時高壓喂水泵與所測試增壓泵之間用輸入端高壓管路連接。

2 往復泵測試系統功能

2.1 測試系統主要功能

能夠進行公司各型高壓注水泵、增壓注水泵、注聚合物泵的型式試驗和出廠試驗。測量采集不同工況下的流量、吸入壓力、排出壓力、電機輸入功率、轉速、噪聲、振動等各種運行參數。根據實際采集的數據，對其進行標準化處理、計算并打印，繪制流量、軸功率、泵效率、轉速和壓差等參數的關系曲線圖。配置汽蝕試驗系統接口，在控制柜、控制程序中安裝接口通道。

泵進行出廠試驗時，應在額定泵速下，排出壓力從常壓逐漸上升到額定排出壓力的過程中進行?？蓪崿F額定排出壓力分4 個等級進行調壓試驗。每個壓力等級運轉時間不少于15 min，也可根據實際工況快速通過，并在額定工況點泵連續運行2～3 h，并能滿足新產品型式試驗時在額定工況連續運轉500 h 的要求。根據需要判定規定點參數是否符合標準或使用要求。

2.2 測試系統參數配置優化（表1）

（1）每套流程管路進口管線最大承壓為1.5 MPa，出口管線最大承壓為50 MPa。

（2）往復泵最大轉速為500 r/min。

（3）試驗介質是常溫循環實驗用水。

（4）測試系統設計充分考慮不同規格泵型的往復泵與管路系統進出口對接時的方便與快捷。多種變徑及調節裝置進行管路流程的進出口與泵的進出口對接，減少工人勞動強度。

（5）測試系統流程管路布置和整體空間設計合理，留有安全通道，并保留足夠的往復泵吊裝空間。管路流程與控制柜具有安全距離，測試系統四周排污溝、電纜溝、信號線溝布局合理、規范、防滑。設計加寬泵頭下方排污溝，做到能快速放空，確保地面無積水。

（6）傳感器、變送器、控制回路均采用DC 24 V 安全電壓。

（7）信號電纜溝、動力電纜溝設計分層，在電纜溝中間安裝支架，電纜放在支架上（支架上放置電纜槽）。電纜溝最底部是空的，當電纜溝進水時，水進入電纜溝后從排污口排空，有效防止電纜進水。電纜溝有預留口，防止誤操作，杜絕安全隱患。

（8）所有選用的電器元器件（包括開關柜）均應具有3C 標識。

（9）開關柜、注水泵電機應設置接地裝置，安裝完成后定期檢驗，可靠接地。

2.3 主測試系統液路配置

測試系統滿足不同規格型號泵的測試精度要求，在保證安全的情況下，系統確保2 臺往復泵同時進行的試驗需求。4 個測試系統位分別編號為：1#位、2#位、3#位和4#位。4 套測試系統輸入、輸出管線配置情況：測試系統1#位輸入管徑DN100、輸出高壓管徑Φ60.3；測試系統2#、3#號位輸入管徑DN150、輸出高壓管徑Φ88.9；測試系統4#臺位輸入管徑DN200、輸出高壓管徑Φ88.9。

表1 測試系統主要參數配置

3 4 個工位能滿足相應泵型進行測試

（1）1#位適用泵型。3ZS-4/50、3H-8/450II、3ZS-8/44、3ZY-4/37 II、3ZY-4/48、3ZY-7/40II、3ZY-9/45、3ZJ-6/16、3ZJ-12/12、3ZS-29/13、5ZY-25/35、5ZY-40/20。進水中心高調節范圍600～1150 mm，出水中心高調節范圍600～1250 mm。

（2）2#、4#位適用泵型。5ZB-12/42、5ZB-20/43、5ZB-15/44、5ZB-20/43II、5ZJ-20/16、5ZJ-30/16。

進口中心高調節范圍400～1150 mm，出口中心高調節范圍500～950 mm。

（3）3#臺位適用泵型。除可滿足與2#工位相同的泵型進行試驗外，還需滿足5ZB-130/7、5ZB-42/40 型泵的試驗（該工位配置一套630 kW 的5ZB-180/10 型注水泵的進出口管路系統和測量采集裝置）。進口中心高調節范圍400～1150 mm，出口中心高調節范圍500～1050 mm。測試系統的高壓出口閥門進行壓力調解時需采用自動（電動或氣動）調節方式，同時也要具有手動調節方式（在自動調節方式發生故障時）進行高壓閥門的調節。每個實驗工位上的高壓閥門的設計方案應適用公司實驗臺流量跨度的工況，選擇配置閥門的多級串聯電動調節閥具有調節壓力時應靈活可靠，輸出壓力調節精度高（壓力調節精度小于±5%），閥門易損件壽命長，維護成本低等特點。設計上在高壓管路流量計后加裝出口止回球閥，防止更換閥門時出現倒流。高壓管路及零件安裝前進行靜水壓力試驗，高、低壓管路要進行表面防腐處理，噴涂流向標識，在高壓區有明顯的警示標志。

4 應用結論

本測試系統優化升級后經過3 年運行試驗，完成了各種型號往復泵的出廠測試，也針對幾種往復泵配合研究產品升級，模擬現場不同工況，超大流量及超高壓力完成測試，為研究開發提供了一套完善的測試系統。可以得到最接近往復泵現場工作條件下的運行數據，為進一步研究提供了有效數據支撐。