油田用往復(fù)泵性能測試系統(tǒng)方案

宗 磊，駱世杰，王 寶

（1.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司，上海 201518；2.長慶油田分公司第九采油廠，寧夏銀川 750001；3.渤海石油裝備制造有限公司鉆采裝備銷售公司，天津 300280）

0 引言

往復(fù)泵在石油礦場中廣泛應(yīng)用于石油鉆井、酸化壓裂、注水等生產(chǎn)中。隨著石油工業(yè)對往復(fù)泵的要求越來越高，往復(fù)泵向著輸出壓力高、流量大、制造和維修方便、流量壓力脈動小、體積和重量小等方向發(fā)展。我國往復(fù)泵行業(yè)產(chǎn)量超過460 萬臺，消費(fèi)量超過418 萬臺，且每年以10%～15%的速度增長。

國內(nèi)關(guān)于1640 kW（2200 HP）及以下鉆井泵、1864 kW（2500 HP）及以下壓裂泵的滿功率傳動試驗系統(tǒng)較少，特別是能夠滿足1640 kW 以上鉆井泵、1700 kW 以上壓裂泵的部分功率各項試驗。機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司作為國家鉆采煉化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，建設(shè)了具備上述試驗?zāi)芰Φ膫鲃釉囼炑b置。該系統(tǒng)從2011 年立項，歷時4 年建成，為我國石油鉆采行業(yè)鉆井泵與壓裂泵的性能測試提供一個世界領(lǐng)先的檢驗檢測平臺，必將促進(jìn)我國鉆井泵與壓裂泵產(chǎn)品向巨型化、高可靠性、高效能方向發(fā)展，達(dá)到世界技術(shù)領(lǐng)先水平。

1 設(shè)計原則

（1）實用原則。試驗系統(tǒng)設(shè)計可滿足目前國內(nèi)使用最多的鉆井泵滿功率試驗，同時兼顧國內(nèi)目前常規(guī)最大功率鉆機(jī)絞車滿功率試驗。能滿足包括壓裂泵在內(nèi)的石油工業(yè)用泵的型式試驗、性能鑒定以及商檢等功能。以追求實用、設(shè)備利用率較高為原則。

（2）可擴(kuò)展性原則。試驗系統(tǒng)設(shè)備配置及試驗工藝設(shè)計在保證當(dāng)前產(chǎn)品測試功能的前提下，同時留有可擴(kuò)展的空間。

（3）最大靈活性原則。試驗系統(tǒng)設(shè)計盡可能采用靈活多變的裝卡方式，方便以后各種試驗要求。

2 動力系統(tǒng)配置

（1）直流電機(jī)。配有750 kW、1600 kW 和2000 kW 直流電機(jī)作為測試系統(tǒng)動力源，根據(jù)測試對象額定功率不同，可匹配不同規(guī)格電機(jī)。750 kW 直流電機(jī)基轉(zhuǎn)速為1125 r/min，最高轉(zhuǎn)速為2000 r/min，最大扭矩可達(dá)7213 N·m；1600 kW 直流電機(jī)基轉(zhuǎn)速為650 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1000 r/min，最大扭矩可達(dá)21 900 N·m；2000 kW 直流電機(jī)基轉(zhuǎn)速為313 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1000 r/min，最大扭矩可達(dá)60 000 N·m。

（2）變速器。2000 kW 增速器2 臺，1 臺增速比為1∶1.5，輸入轉(zhuǎn)速為0～1000 r/min；另1 臺增速比為1∶2.118，輸入轉(zhuǎn)速為0～1000 r/min。2000 kW 減速器3 臺，2 臺減速比為1.909∶1，輸入轉(zhuǎn)速為0～1000 r/min；另1 臺減速比為1.423∶1，輸入轉(zhuǎn)速為350～526 r/min，作為二級減速設(shè)備；齒輪變速器1 臺，增速比為1∶1.79、減速比為2.19∶1，作為備用。變速器配有專門的冷卻潤滑系統(tǒng)，確保變速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）連接設(shè)備。1 臺聯(lián)軸器，若干半尺法蘭和過度法蘭。

（4）扭矩轉(zhuǎn)速傳感器。用于測量往復(fù)泵輸入轉(zhuǎn)速與輸入扭矩。配有不同規(guī)格若干臺，根據(jù)不同測試對象進(jìn)行匹配安裝，具體參數(shù):DSTP-5000 最大負(fù)載扭矩為49 000 N·m，最高轉(zhuǎn)速為1500 r/min，JC4B 最大負(fù)載扭矩為50 000 N·m，最高轉(zhuǎn)速為2000 r/min，DSTP-2000 最大負(fù)載扭矩為19 600 N·m，最高轉(zhuǎn)速為2000 r/min，DSTP-1000 最大負(fù)載扭矩為9800 N·m，最高轉(zhuǎn)速為1000 r/min。

3 循環(huán)系統(tǒng)

（1）高壓管匯。2 英寸高壓管線，額定壓力140 MPa；4 英寸高壓管線，額定壓力70 MPa。

（2）憋壓閥組。用于調(diào)節(jié)循環(huán)介質(zhì)（清水）壓力?？蛰d循環(huán)時所有調(diào)節(jié)閥處于全開位置，逐級加壓的過程中，調(diào)節(jié)閥按照固定順序逐漸關(guān)閉，壓力變送器實時監(jiān)測閥前后壓力，確保每臺閥門的閥前、閥后壓力在規(guī)定范圍內(nèi)；泄壓過程中閥門動作順序相反。

（3）低壓管匯。為4 英寸常壓管線，法蘭連接。設(shè)計時保有一穩(wěn)壓段，用于安裝電磁流量計，穩(wěn)壓段分為兩路，4 英寸管線走大流量，2 英寸管線走小流量，用以提高流量測量精度。通過電動閘閥切換管路。低壓管匯末端需提供背壓，以確保流量測量時為滿管狀態(tài)。

（4）循環(huán)水箱。循環(huán)水箱為4×45 m3，用于循環(huán)介質(zhì)（清水）過渡存儲。灌注泵2 臺，流量300 m3/h，揚(yáng)程50 m，功率75 kW，一備一用，通過電動閘閥進(jìn)行切換。水箱配有排泄口與注水口，用于循環(huán)介質(zhì)（清水）的排放與注入。

（5）吸入管匯。為低壓管線，通徑12 英寸。一端與灌注泵相連，同時與循環(huán)水箱直接相通，用于往復(fù)泵自吸測試，通過電動閘閥進(jìn)行切換。吸入管匯另一端通過金屬軟管與往復(fù)泵連接。

（6）主要儀表。壓力變送器測量往復(fù)泵排出壓力和吸入壓力；電磁流量計測量往復(fù)泵排出流量和吸入流量；溫度變送器分別測量往復(fù)泵排出溫度和吸入溫度。

4 控制測試系統(tǒng)

（1）測量控制系統(tǒng)。采用先進(jìn)可靠的自動控制和數(shù)據(jù)自動采集、處理系統(tǒng)。根據(jù)往復(fù)泵、傳動機(jī)組或其他被試件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，自動設(shè)置試驗程序，自動或手動完成試驗，記錄打印表格和特性曲線，超限報警，現(xiàn)場視頻監(jiān)控設(shè)施等；測功機(jī)校準(zhǔn)裝置（靜、動校準(zhǔn)）。

（2）測量參數(shù)。泵出口壓力、流量、泵沖次、輸入扭矩、輸入轉(zhuǎn)速、試驗液溫度、關(guān)鍵部件溫度等。因泵出口壓力波動較大，且有滯后，應(yīng)具備瞬間采集數(shù)據(jù)能力，并能提供較長時間段（以s 為單位）的平均值，否則無法計算泵的效率。

（3）計算數(shù)據(jù)。泵的容積效率、總效率等。

考慮各種過載保護(hù)和聯(lián)動防止誤操作，特別是電機(jī)電流、高壓管匯壓力及傳動軸扭矩等會引起重大事故的控制點(diǎn)，應(yīng)設(shè)置過載保護(hù)。儀表精度應(yīng)小于0.2%。

5 系統(tǒng)設(shè)備方案

（1）設(shè)備組成。動力設(shè)備（直流電機(jī)）+傳動設(shè)備（變速器）+被測設(shè)備（往復(fù)泵）+循環(huán)系統(tǒng)。其中循環(huán)系統(tǒng)包括:高壓管線（與往復(fù)泵液力端排出口相接）+憋壓閥組+低壓管線+循環(huán)水箱+吸入管線（與往復(fù)泵液力端吸入口相接）。

（2）測試參數(shù)。扭矩轉(zhuǎn)速傳感器（與被測設(shè)備動力端輸入軸相連），用于測量被測設(shè)備的輸入扭矩和輸入轉(zhuǎn)速；電磁流量計（安裝于低壓管線直管段），用于測量被測設(shè)備的排出流量；壓力變送器（安裝于被測設(shè)備液力端排出口），用于測量被測設(shè)備的排出壓力；壓力變送器（安裝于被測設(shè)備液力端吸入口），用于測量被測設(shè)備的吸入壓力；溫度變送器（安裝于被測設(shè)備液力端吸入口）；電磁流量計（安裝于被測設(shè)備液力端吸入口），用于測量被測設(shè)備的吸入流量。

（3）憋壓過程。當(dāng)被測設(shè)備達(dá)到額定測試轉(zhuǎn)速后，需要按照測試方案的要求進(jìn)行憋壓。憋壓閥組逐級加壓過程中，調(diào)節(jié)閥按照固定順序逐漸關(guān)閉；調(diào)節(jié)閥在逐次關(guān)閉過程中要保持閥門壓力不高于試驗系統(tǒng)的閥門壓力，閥前后壓力由壓力變送器實時監(jiān)測，確保每臺閥門的閥前、閥后壓力在規(guī)定范圍內(nèi)；泄壓過程中閥門的動作順序相反。

（4）測試結(jié)果。當(dāng)被測設(shè)備的輸入轉(zhuǎn)速、排出壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，可測得電磁流量計的排出流量，以及扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的輸入扭矩，根據(jù)上述4 個參數(shù)可得出往復(fù)泵的總效率、容積效率。

（5）裝夾定位。管路系統(tǒng)采用固定基座，安裝定位后不再隨試驗泵不同而變化；吸入管和排出管采用可移動柔性連接方式。動力、測量及被試泵的裝夾定位采用工字鋼排列而成的鋼底座，可方便適應(yīng)不同泵的裝卡，安裝。也可采用簡單的底座，適應(yīng)幾種固定形式的泵。

（6）試驗液冷卻。采用一套強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，散去試驗液產(chǎn)生的熱量，保持試驗液溫升在一定范圍內(nèi)。變速箱采用強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，配置兩套潤滑油冷卻系統(tǒng)，潤滑油采用水冷；循環(huán)水罐及強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)安裝在試驗廠房外，用管線連接。

6 結(jié)論

往復(fù)泵測試系統(tǒng)2015 年10 月建設(shè)完成，當(dāng)年通過了上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局及國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局驗收。試驗室布置、設(shè)備配置、控制水平、測試精度、測試范圍（動力、流量）、安裝和節(jié)能減排等方面都達(dá)到了國家先進(jìn)水平。近幾年先后為國內(nèi)多家往復(fù)泵生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了型式試驗，測試的泵型號:F2200、F1600、F1300泥漿泵，YL2800-70、YL2500-105、YL1400-140 壓裂泵；測試過程及測試結(jié)果均得到了往復(fù)泵生產(chǎn)企業(yè)的認(rèn)可，也為企業(yè)往復(fù)泵的技術(shù)升級和產(chǎn)品改進(jìn)提供了非常準(zhǔn)確的第一手現(xiàn)場數(shù)據(jù)。