潛油電泵水平測試系統(tǒng)研究

王慶輝，趙曉龍，于繼林

（1.長慶油田分公司物資供應處，陜西西安 710018；2.渤海裝備鉆采裝備銷售公司，天津 300280）

0 引言

潛油電泵水平測試系統(tǒng)（HPTS）在國外已有較長時間發(fā)展。根據(jù)調(diào)研，潛油電泵生產(chǎn)商美國雷達公司、森垂公司早已擁有此類測試系統(tǒng)，并在實際生產(chǎn)和科研開發(fā)工作中起到極其重要的作用。國內(nèi)有關水泵測試系統(tǒng)的技術(shù)已有較長時間發(fā)展和應用，但是針對潛油電泵開發(fā)的水平測試系統(tǒng)還處于初級階段。國內(nèi)幾家潛油電泵廠家均未采用水平測試系統(tǒng)。

要研制具有高攜氣能力的潛油電泵氣體處理器，必須要有相應的測試設備測試其各項性能，這種測試設備所必備的能力是能夠?qū)崿F(xiàn)量化的氣液混合介質(zhì)的供給。渤海裝備鉆采裝備銷售公司現(xiàn)有的潛油電泵測試系統(tǒng)都不具有這種能力，且采用垂直試驗的方法。盡管潛油電泵垂直測試具有很多優(yōu)點，例如，可以模仿現(xiàn)場井況。但是潛油電泵垂直測試也有一定缺點，起下作業(yè)操作復雜、測試費用高，輸入泵的功率計算復雜等。

1 HPTS 研究方向及目標

HPTS 包括四大部分設計，即動力供給、介質(zhì)供給（氣體供給、液體供給及氣液混合）、試驗監(jiān)測和試驗平臺。HPTS 可用于101、130 等系列泵的測試；可測量的排量范圍≤4700 m3/d，可測量的揚程范圍≤2000 m。

2 試驗裝置研究方法及原理

HPTS 通過各環(huán)節(jié)的監(jiān)測設備對泵軸輸入轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)速、供液流量、泵的入口及出口壓力、氣體流量及壓力的精確測量，通過人為方式或計算機的直接轉(zhuǎn)化，得到泵的功率、揚程、排量及效率。通過控制介質(zhì)，HPTS 可以對各系列潛油泵（整節(jié)泵、單級和多級葉導輪）在不同介質(zhì)下的性能參數(shù)進行精確測試，并且能夠通過功能擴展，實現(xiàn)新型葉導輪及泵的測試，驗證葉導輪的水力設計。

HPTS 主要由動力供給、介質(zhì)供給、試驗監(jiān)測、試驗平臺等4 部分組成。動力供給部分主要由地面三相異步電機和控制屏或變頻器組成，實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)化，若采用變頻器則可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。介質(zhì)供給又分為兩部分:①液體（水）供給部分，主要包括水箱、供水管線、吸入口、回水管線及相應閥門；②氣體供給部分，包括供氣源、輸氣管線、注氣室、壓力調(diào)節(jié)開關及相應閥門。介質(zhì)供給部分可以實現(xiàn)試驗介質(zhì)的單相化及兩相化（氣、水混合）。監(jiān)測部分主要包括計算機、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)傳輸線、各智能儀表及溫度傳感器等，實現(xiàn)試驗過程的監(jiān)視及數(shù)據(jù)測量。試驗平臺部分包括各種支撐設備、固定設備及止推室，其作用是固定試驗各設備位置，保證試驗順利進行，止推室起到承載泵的軸向力作用。

HPTS 試驗介質(zhì)循環(huán)過程: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中，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。

選用H 型鋼及鋼板，經(jīng)焊接構(gòu)成試驗平臺的主體支架或滑軌；選用鋼及鋼板經(jīng)焊接構(gòu)成電機支架；轉(zhuǎn)矩傳感器支架、止推室支架及泵支架由鋼板焊接而成。各部分通過螺栓固定，電機位置可做較小調(diào)整，泵支架設計為高度可調(diào)，并可適應外徑86～172 mm 的泵。

在滑軌上，主要零件由動力源起依次為動力源（電機）、轉(zhuǎn)矩傳感器、止推室、吸入口、注氣室、泵。電機、轉(zhuǎn)矩傳感器和止推室分別通過聯(lián)軸器進行軸連接；止推室、吸入口、注氣室及泵外部殼體通過法蘭連接，內(nèi)部軸之間通過鍵連接。泵與高壓閥門采用便于拆裝的接箍式連接。

在吸入口及高壓閥接箍處安裝智能壓力表；在供水管線及供氣管線上安裝流量計，流量計支架設計成可移動式；水介質(zhì)傳輸管線采用橡膠管；氣體傳輸管線采用橡膠管與金屬管相結(jié)合；水箱與供水管、供水管與流量計、供水管與吸入口、高壓閥與回水管、回水管與水箱之間均采用快速接頭進行連接。

3 HPTS

3.1 潛油泵軸向力的平衡

泵的進、出口壓差較大，軸截面產(chǎn)生的軸向力可達到10～20 kN，該軸向力既不能作用于機械密封，也不能傳給電機，必須由止推室承擔。泵在啟動時，由于泵出口的壓力還沒有建立，在入口水壓力的作用下，泵軸向泵出口方向移動，軸向上將產(chǎn)生一個指向泵出口方向的力。由于泵軸、吸入口軸及止推室軸采用鍵連接，因此這個軸向力對止推室不會有太大的力的作用，所以只在止推室中增加一個相對反向的角接觸球軸承承擔此力。電泵正常工作時，會產(chǎn)生一個很大的指向電機方向的軸向力，在止推室內(nèi)通過安裝一組同方向的角接觸球軸承，共同承擔此軸向力。

3.2 吸入口與止推室的密封

吸入口與止推室連接緊密，可以看作一個整體。作為介質(zhì)進入泵的入口，其密封非常重要，其殼體與直接接觸件采用焊接連接，軸與非轉(zhuǎn)動件間采用機械密封以達到較好密封效果。軸承的固定采用端蓋壓緊和鎖緊螺母鎖緊。殼體和與之直接接觸的零件采用焊接進行連接；端部非轉(zhuǎn)動件之間采用O 形密封圈進行密封，螺栓連接固定；軸與非轉(zhuǎn)動件之間采用進口Circle Seal唇形密封圈進行密封。

3.3 焊接組對

組對是焊接前必須要做的工作，直接影響焊接的最終精度，通常由專業(yè)人士進行，此次組對工作由項目組成員自己完成。項目組成員通過測量、分析，定出每一零件的具體位置，然后使用相應的卡具將之固定，最終完成整體支架、電機支架、止推室支架、泵支架及轉(zhuǎn)矩傳感器支架等的組對。

3.4 焊接變形

裝置的眾多部件均需焊接完成，包括對精度要求較高的止推室及吸入口。焊接通常會造成零部件變形，除了通過準確組對外，必須要考慮其他方法。在沒有更好的焊接條件情況下，最終對組對好的零部件進行對稱焊接，止推室及吸入口等采用快速圍焊，將變形影響減到最小。焊接后的部件再進行測量，記錄尺寸偏差，在裝配過程中，各部件互補裝配，將整體尺寸偏差減到最小。

3.5 各部件的定位

各部件的定位本在系統(tǒng)設計階段就已確定，但因構(gòu)買零件的尺寸偏差及各部件組裝過程造成的偏差，必須進行修正。

3.6 氣體注入

設計注氣室，注氣室安裝于吸入口及泵之間，在注氣室中實現(xiàn)氣液混合。在注氣管路上設計U 形彎并安裝排水閥門，防止水倒流，影響測試。在注氣管路上安裝氣體流量計、氣體流量調(diào)節(jié)閥及壓力調(diào)節(jié)器等，測試氣體注入量等參數(shù)。

3.7 計算機監(jiān)控測試

HPTS 的實驗數(shù)據(jù)采集要求不僅可以通過各儀表直接讀取，還要實現(xiàn)計算機的識別讀取。為此，采用數(shù)據(jù)采集與傳感器相結(jié)合的方式，設計以計算機為中心的測控系統(tǒng)，編寫液體測試軟件及注氣測試軟件。

3.8 技術(shù)創(chuàng)新點

（1）PGP（氣體處理器）的葉導輪葉片采用軸流式扭曲結(jié)構(gòu)，有較強的攜氣能力；葉輪輪轂柱面采用變徑形式，使入口過流面積遠大于出口過流面積，使井液中的游離氣體受到壓縮，氣泡體積減小或溶入液體中，經(jīng)多級葉導輪的作用，井液進入潛油泵后，潛油泵發(fā)生氣鎖、氣蝕的可能性大大減小。

（2）PGP 采用整體壓緊式結(jié)構(gòu)，采用反向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母及半環(huán)，對葉輪及軸進行鎖緊固定，確保在運轉(zhuǎn)時，葉輪、導輪間無磨損，延長使用壽命。

（3）HPTS 實現(xiàn)介質(zhì)供給控制，可以量化供液供氣，測試在氣液混合作用下泵類產(chǎn)品的性能參數(shù)，分析其對氣液混合介質(zhì)的適應性，指導開發(fā)及應用。

（4）HPTS 實現(xiàn)整個試驗過程的計算機監(jiān)測，能夠及時反映出各參數(shù)之間的變化。

4 結(jié)論

HPTS 用于單相流體（水介質(zhì)）下泵的性能參數(shù)測試，和原有測試系統(tǒng)相比，它同時具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍大、可對泵進行整體測試、測試數(shù)據(jù)采集與電機無關等特點，測試結(jié)果更為可靠。

HPTS 可以在雙相流（水、氣）作用下測試泵的性能參數(shù)，這是以往所有測試系統(tǒng)不具備的。對已有葉片類產(chǎn)品在雙相流作用下性能變化的認識更為具體明了，對葉片類產(chǎn)品的開發(fā)研制將起到重要指導作用。