往复泵测试系统方案优化设计

周 军，赵君普，闫明明

（渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

在石油钻采机械设备中往复泵的应用非常广泛，涉及石油钻井、固井、注水、压裂、抽油等生产环节。往复泵的设计生产、制造过程、出厂测试等各环节都尤为重要，对往复泵的后期使用效果起到关键作用。往复泵测试系统对其输入功率、流量、压力、功率等方面进行测量，通过测试数据绘制其工作特性曲线来表明泵流量、输入功率、效率等与泵输出压力的关系，也就是这台泵的性能曲线[1，3]。本往复泵测试台主要用于公司生产的高压注水泵、增压注水泵、注聚合物泵的型式试验和出厂试验。方案优化对往复泵测试系统的组成、功能范围及相关的技术要求、质量保证、项目验收等内容进行设计。通过对该测试系统的优化升级，解决测试系统目前存在的各种问题，杜绝注水泵在高压试验过程中的各种安全隐患[1]。

1 往复泵测试系统组成

（1）往复泵测试系统。包括主实验平台流程管路系统（4 工位各一套）、电气传动系统、控制采集系统、监控系统、喂水泵及喂水管路系统等五大系统。

（2）测试平台液路系统。包括4 个独立实验平台系统，分别为1#、2#、3#、4#等4 个实现不同功率需要的被测试平台系统，其主要包括低压手动调节阀门、输入端低压管路及附件、输入端管路支撑、多级串联高压调节阀门（组）、输出端高压管路及附件、输出端出口管路支撑、输入、输出端管线与注水泵连接便捷调节装置、输入端压力传感器及耐振压力表、输出端压力传感器及耐振压力表、止回阀等。

（3）电气传动系统。8 台动力柜，总电源柜、离心泵组启动柜、注水泵110 kW 变频柜、30 kW 工频柜，注水泵250 kW 变频柜、注水泵355 kW 变频柜、600 kW 变频柜、外来控制柜提供电源、PLC 柜。

（4）控制采集系统（4 工位各一套）。包括进出口压力、流量、电参数、润滑油温度、电机温度等；振动、转速、噪声检测传感器做出可移动式。检测元件采用DC 24 V 供电并进行有效防护，安装位置防尘、防水、耐振、易于更换维护。通过RVVP 屏蔽电缆与PLC 输入端口相连接，可移动检测元件设置航空插头，方便拆装，现场检测元件防水等级为IP67。采集的信号增加信号隔离器，防止信号相互干扰。

（5）监控系统。计算机监控系统界面有测试系统监控总界面、单独注水泵界面、保护值设置界面、试验泵各种曲线显示界面等。在操作室内安装1 台32 in 液晶显示器，5 套现场摄像头（供水系统前置注水泵一套，1#～4#位4 套），显示器上分为九宫格，可以进一步放大单个界面。操作员可根据需要自由切换，同时显示不同位置画面。在操作室内可方便监视供水系统和各试验台的运行状态。主要完成对系统参数的设定、试验曲线显示、运行状态显示、报警、数据处理以及打印等。

（6）喂水泵及喂水管路系统。包括离心式喂水泵4 台（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）、喂水泵输入、输出管路及附件、高压调压阀门、溢流阀及管路附件等；在增压注水泵试验时高压喂水泵与所测试增压泵之间用输入端高压管路连接。

2 往复泵测试系统功能

2.1 测试系统主要功能

能够进行公司各型高压注水泵、增压注水泵、注聚合物泵的型式试验和出厂试验。测量采集不同工况下的流量、吸入压力、排出压力、电机输入功率、转速、噪声、振动等各种运行参数。根据实际采集的数据，对其进行标准化处理、计算并打印，绘制流量、轴功率、泵效率、转速和压差等参数的关系曲线图。配置汽蚀试验系统接口，在控制柜、控制程序中安装接口通道。

泵进行出厂试验时，应在额定泵速下，排出压力从常压逐渐上升到额定排出压力的过程中进行。可实现额定排出压力分4 个等级进行调压试验。每个压力等级运转时间不少于15 min，也可根据实际工况快速通过，并在额定工况点泵连续运行2～3 h，并能满足新产品型式试验时在额定工况连续运转500 h 的要求。根据需要判定规定点参数是否符合标准或使用要求。

2.2 测试系统参数配置优化（表1）

（1）每套流程管路进口管线最大承压为1.5 MPa，出口管线最大承压为50 MPa。

（2）往复泵最大转速为500 r/min。

（3）试验介质是常温循环实验用水。

（4）测试系统设计充分考虑不同规格泵型的往复泵与管路系统进出口对接时的方便与快捷。多种变径及调节装置进行管路流程的进出口与泵的进出口对接，减少工人劳动强度。

（5）测试系统流程管路布置和整体空间设计合理，留有安全通道，并保留足够的往复泵吊装空间。管路流程与控制柜具有安全距离，测试系统四周排污沟、电缆沟、信号线沟布局合理、规范、防滑。设计加宽泵头下方排污沟，做到能快速放空，确保地面无积水。

（6）传感器、变送器、控制回路均采用DC 24 V 安全电压。

（7）信号电缆沟、动力电缆沟设计分层，在电缆沟中间安装支架，电缆放在支架上（支架上放置电缆槽）。电缆沟最底部是空的，当电缆沟进水时，水进入电缆沟后从排污口排空，有效防止电缆进水。电缆沟有预留口，防止误操作，杜绝安全隐患。

（8）所有选用的电器元器件（包括开关柜）均应具有3C 标识。

（9）开关柜、注水泵电机应设置接地装置，安装完成后定期检验，可靠接地。

2.3 主测试系统液路配置

测试系统满足不同规格型号泵的测试精度要求，在保证安全的情况下，系统确保2 台往复泵同时进行的试验需求。4 个测试系统位分别编号为：1#位、2#位、3#位和4#位。4 套测试系统输入、输出管线配置情况：测试系统1#位输入管径DN100、输出高压管径Φ60.3；测试系统2#、3#号位输入管径DN150、输出高压管径Φ88.9；测试系统4#台位输入管径DN200、输出高压管径Φ88.9。

表1 测试系统主要参数配置

3 4 个工位能满足相应泵型进行测试

（1）1#位适用泵型。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。进水中心高调节范围600～1150 mm，出水中心高调节范围600～1250 mm。

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

进口中心高调节范围400～1150 mm，出口中心高调节范围500～950 mm。

（3）3#台位适用泵型。除可满足与2#工位相同的泵型进行试验外，还需满足5ZB-130/7、5ZB-42/40 型泵的试验（该工位配置一套630 kW 的5ZB-180/10 型注水泵的进出口管路系统和测量采集装置）。进口中心高调节范围400～1150 mm，出口中心高调节范围500～1050 mm。测试系统的高压出口阀门进行压力调解时需采用自动（电动或气动）调节方式，同时也要具有手动调节方式（在自动调节方式发生故障时）进行高压阀门的调节。每个实验工位上的高压阀门的设计方案应适用公司实验台流量跨度的工况，选择配置阀门的多级串联电动调节阀具有调节压力时应灵活可靠，输出压力调节精度高（压力调节精度小于±5%），阀门易损件寿命长，维护成本低等特点。设计上在高压管路流量计后加装出口止回球阀，防止更换阀门时出现倒流。高压管路及零件安装前进行静水压力试验，高、低压管路要进行表面防腐处理，喷涂流向标识，在高压区有明显的警示标志。

4 应用结论

本测试系统优化升级后经过3 年运行试验，完成了各种型号往复泵的出厂测试，也针对几种往复泵配合研究产品升级，模拟现场不同工况，超大流量及超高压力完成测试，为研究开发提供了一套完善的测试系统。可以得到最接近往复泵现场工作条件下的运行数据，为进一步研究提供了有效数据支撑。