往復(fù)泵性能測試實驗臺的改進與應(yīng)用

職黎光 魏航信 韓成才

西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院 陜西西安 710065

傳統(tǒng)的往復(fù)泵性能測試實驗采用停車手動換變速擋或換鋼套等方法改變流量，用手動控制泵出口閥門改變管線的沿程阻力。往復(fù)泵是目前在石油鉆采機械中使用非常廣泛的設(shè)備，尤其在石油鉆井、壓裂、注水、固井、抽油等工作中都屬于關(guān)鍵設(shè)備。在石油鉆采設(shè)備課程教學(xué)中往復(fù)泵的設(shè)計和應(yīng)用是很重要的一章，往復(fù)泵性能測試實驗是該課程的主要實驗之一，該實驗主要包括對往復(fù)泵流量、壓力、輸入功率及效率等方面的測量。而測量的主要目的是繪制其工作特性曲線圖。往復(fù)泵的特性曲線主要表示泵的流量、輸入功率及效率等與壓力的關(guān)系。一般需要通過實驗得到，而特性曲線是選擇和使用往復(fù)泵的基本依據(jù)，是分析和掌握往復(fù)泵運行狀況的基礎(chǔ)，是教學(xué)大綱要求學(xué)生必須熟練掌握的內(nèi)容[1]。

壓力測量靠目測普通壓力表，流量測量一般用水箱或普通流量計計量。測量若干組數(shù)據(jù)后，在坐標紙上描點繪制特性曲線。由于測試裝置技術(shù)落后，所得測試結(jié)果精確度差，學(xué)生繪制的特性曲線往往與真實特性曲線相差很大，更主要的是這種設(shè)備很難模擬不同供液管路長度的工況，不能準確和穩(wěn)定地做出泵與管路聯(lián)合特性曲線，所以對往復(fù)泵性能測試裝置進行更新改造是十分必要的[2,3]。

改進后的裝置采用計算機控制變頻驅(qū)動方式[4]，具有測量自動化程度高以及測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、精確度高等特點。打印機輸出實驗得到的往復(fù)泵特性曲線如圖1所示，可根據(jù)不同的實驗要求輸出各種測量數(shù)據(jù)和處理結(jié)果，并在教學(xué)和科研實驗過程中不斷完善該實驗裝置。

圖1 往復(fù)泵特性曲線

1 實驗裝置的組成

圖2為往復(fù)泵性能測試實驗裝置實物，包括往復(fù)泵主機、管路、測試儀器及水箱。圖3為計算機和電氣箱，包括變頻器、控制電路等。

圖2 往復(fù)泵性能測試實驗裝置

圖3 往復(fù)泵實驗臺電氣控制柜

1.1 壓力、流量、功率測試

在壓力測試項目中，采用壓力表和壓電式壓力變送器分別測出往復(fù)泵吸入壓力和排出壓力。在流量測試項目中，采用流量積算儀測量排出流量。在功率測試項目中，采用功率計測量變頻電機的輸入功率。測試項目信號的采集和處理采用計算機信號采集處理技術(shù)，實現(xiàn)了自動控制[5]。

1.2 泵與管線聯(lián)合特性曲線測試

用計算機控制往復(fù)泵的沖次，并調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度，得到要求的泵壓，對應(yīng)某一泵的沖次和泵壓構(gòu)成一種工況，在一種工況下對泵的管線輸出壓力P進行采集，對于固定管路系統(tǒng)，管路長度L不變。對于鉆井泵，井深是不斷變化的，所以排出管路長度L也是變化的。而一種工況就相當于一種井深長度，同時測出該井深的壓力，并改變Q流量得到壓力降△P，就可以求得該井深時的壓力降系數(shù)α，即α=△P/Q2。根據(jù)α就可以求得該井深下不同流量時的壓力降，從而很方便地作出某井深下的管路特性曲線。

將往復(fù)泵的Q-P特性曲線按同樣的比例繪制在管路特性曲線圖上，即得到往復(fù)泵與管路聯(lián)合特性曲線。由圖4可以看出，當往復(fù)泵的流量為Q1時，兩種曲線分別交于A1，B1，C1……往復(fù)泵的流量為Q2時，交于A2，B2，C2……顯然，只有這些交點處才能滿足質(zhì)量守恒和能量守恒條件，泵才能正常工作，一般稱這些交點為泵的工況點。曲線與工況點的繪制都可由計算機程序解決。

圖4 泵與管線聯(lián)合特性曲線

1.3 測控系統(tǒng)組成及原理

測控系統(tǒng)的組成包括D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、RS485-RS232接口轉(zhuǎn)換器、功率計、壓力變送器、電動調(diào)節(jié)閥、流量積算儀、變頻器、計算機等組成。實驗裝置總體結(jié)構(gòu)及測控系統(tǒng)組成如圖5所示。需要測量信號時，往復(fù)泵管路中流體的壓力、流量分別通過壓力變送器和流量積算儀把相應(yīng)壓力信號(其中1，2，3點為3個缸的壓力傳感器)、流量信號變?yōu)槟M電信號并送入D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器R4017，變頻電動機的功率通過功率計也轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號輸入R4017。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器R4017把這幾路模擬電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并以RS485總線的形式輸出，該信號通過RS485-RS232接口轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS232電平信號，輸入計算機的串口，計算機便可以采集該信號。

圖5 往復(fù)泵實驗臺結(jié)構(gòu)及測控系統(tǒng)組成

計算機起到控制器的作用，當需要控制變頻電機的轉(zhuǎn)速時，通過計算機和變頻器的接口，控制變頻器輸出電壓頻率，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。在該系統(tǒng)中，還有一路控制信號，即計算機通過R4017控制電動調(diào)節(jié)閥，該閥的作用是通過減小通流面積來改變管路中的阻力，從而達到模擬不同管路流體壓力的目的。

2 測試裝置在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

該實驗裝置2007年開始在我校本科實驗教學(xué)中使用，通過幾年的使用，針對存在的問題和不足改進裝置，實驗功能不斷得到增強，測試項目有所增加。

2.1 加強學(xué)生能力的培養(yǎng)

實驗教學(xué)是對學(xué)生進行素質(zhì)訓(xùn)練的重要手段，實驗教學(xué)的目的，不僅是使學(xué)生加深對所學(xué)理論知識的理解，新的教學(xué)理念強調(diào)通過實驗教學(xué)重視培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。因此，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，既要不斷地改進實驗裝置，使實驗技術(shù)適應(yīng)科技的發(fā)展，又要注重如何通過實驗教學(xué)使學(xué)生的能力得到訓(xùn)練和提高。

往復(fù)泵性能測試實驗的定位是綜合性、開放性實驗。實驗的目是：通過實驗，使學(xué)生觀察往復(fù)泵工作運行的全過程，學(xué)會如何分析往復(fù)泵性能，掌握往復(fù)泵性能的測試方法。通過實驗提高學(xué)生的動手能力、獨立工作能力和創(chuàng)新能力。

在上實驗課前，要求學(xué)生認真復(fù)習(xí)往復(fù)泵工作原理方面的知識，寫出預(yù)習(xí)報告，引導(dǎo)學(xué)生了解實驗測試儀器和實驗測試方法。學(xué)生已學(xué)過的自動化控制和微機原理與接口技術(shù)等課程，對實驗裝置的自動控制軟件及硬件和數(shù)據(jù)采集處理方法有所了解，實驗時，要求學(xué)生掌握所有測試儀器與設(shè)備和微機連接及使用方法，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。

2.2 實驗裝置的應(yīng)用情況

由于實驗裝置采用微機自動控制、變頻驅(qū)動的方式，改變了以往實驗只測量往復(fù)泵固定工況下特性曲線的單一形式，擴展為多種工況的測試，為此開設(shè)了“不同工況對往復(fù)泵運行的影響”的綜合性實驗。實驗中，學(xué)生通過控制軟件調(diào)節(jié)電動閥，改變管路上的阻力，模擬鉆井泵在不同井深情況下工作時的匹配關(guān)系。同時還可通過變頻器調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，改變泵的流量，測出泵與管路的聯(lián)合特性曲線。通過多組測試數(shù)據(jù)的對比與分析，學(xué)生掌握了改變工況后影響往復(fù)泵工作的因素和特點，加深了對該種機械的理解。

通過實驗，學(xué)生鞏固了所學(xué)專業(yè)知識，素質(zhì)能力得到了綜合訓(xùn)練，并掌握了先進的現(xiàn)代測試方法。

3 結(jié)束語

實踐表明，采用先進的實驗方法和先進的測試手段，注重在實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，是提高實驗教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

[1]李繼志.石油鉆采機械概論[M].東營:中國石油大學(xué)出版社,2009.

[2]劉金生.直線電機三缸泵機理研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報,2007(4):47-51.

[3]楊鐵寧,張金中.直線電機驅(qū)動往復(fù)泵流量壓力變化規(guī)律試驗研究[J].石油礦場機械,2009,38(4):56-61.

[4]魏航信,吳偉,職黎光.變頻驅(qū)動鉆機自動送鉆試驗系統(tǒng)的研究[J].石油機械,2009,37(3):10-12,50.

[5]胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2007.