往复泵性能测试实验台的改进与应用.docVIP

往复泵性能测试实验台的改进与应用 　　摘 要：介绍由计算机控制变频驱动的往复泵综合性能测试实验台，这套装置由往复泵主机、水箱、管线、空气包、安全阀、阀组、涡轮流量计、压力变送器、自控仪表、变频器、计算机控制系统等组成。可完成多种工况的测试工作，所有测试工作可由计算机控制完成，也可由人工手动完成各种工况的泵效及特性的测试和研究。 　　关键词：往复泵；性能测试；实验台；计算机控制；变频器 　　传统的往复泵性能测试实验采用停车手动换变速挡或换钢套等方法改变流量，用手动控制泵出口阀门改变管线的沿程阻力。往复泵是目前在石油钻采机械中使用非常广泛的设备，尤其在石油钻井、压裂、注水、固井、抽油等工作中都属于关键设备。在石油钻采设备课程教学中往复泵的设计和应用是很重要的一章，往复泵性能测试实验是该课程的主要实验之一，该实验主要包括对往复泵流量、压力、输入功率及效率等方面的测量。而测量的主要目的是绘制其工作特性曲线图。往复泵的特性曲线主要表示泵的流量、输入功率及效率等与压力的关系。一般需要通过实验得到，而特性曲线是选择和使用往复泵的基本依据，是分析和掌握往复泵运行状况的基础，是教学大纲要求学生必须熟练掌握的内容[1]。 　　压力测量靠目测普通压力表，流量测量一般用水箱或普通流量计计量。测量若干组数据后，在坐标纸上描点绘制特性曲线。由于测试装置技术落后，所得测试结果精确度差，学生绘制的特性曲线往往与真实特性曲线相差很大，更主要的是这种设备很难模拟不同供液管路长度的工况，不能准确和稳定地做出泵与管路联合特性曲线，所以对往复泵性能测试装置进行更新改造是十分必要的[2，3]。 　　改进后的装置采用计算机控制变频驱动方式[4]，具有测量自动化程度高以及测量数据稳定、精确度高等特点。打印机输出实验得到的往复泵特性曲线如图1所示，可根据不同的实验要求输出各种测量数据和处理结果，并在教学和科研实验过程中不断完善该实验装置。 　　1 实验装置的组成 　　1.1 压力、流量、功率测试 　　在压力测试项目中，采用压力表和压电式压力变送器分别测出往复泵吸入压力和排出压力。在流量测试项目中，采用流量积算仪测量排出流量。在功率测试项目中，采用功率计测量变频电机的输入功率。测试项目信号的采集和处理采用计算机信号采集处理技术，实现了自动控制[5]。 　　1.2 泵与管线联合特性曲线测试 　　用计算机控制往复泵的冲次，并调节电动调节阀的开度，得到要求的泵压，对应某一泵的冲次和泵压构成一种工况，在一种工况下对泵的管线输出压力P进行采集，对于固定管路系统，管路长度L不变。对于钻井泵，井深是不断变化的，所以排出管路长度L也是变化的。而一种工况就相当于一种井深长度，同时测出该井深的压力，并改变Q流量得到压力降△P，就可以求得该井深时的压力降系数α，即α=△P/Q2。根据α就可以求得该井深下不同流量时的压力降，从而很方便地作出某井深下的管路特性曲线。 　　将往复泵的Q-P特性曲线按同样的比例绘制在管路特性曲线图上，即得到往复泵与管路联合特性曲线。由图4可以看出，当往复泵的流量为Q1时，两种曲线分别交于A1，B1，C1……往复泵的流量为Q2时，交于A2，B2，C2……显然，只有这些交点处才能满足质量守恒和能量守恒条件，泵才能正常工作，一般称这些交点为泵的工况点。曲线与工况点的绘制都可由计算机程序解决。 　　图4 泵与管线联合特性曲线 　　1.3 测控系统组成及原理 　　测控系统的组成包括D/A数据转换器、RS485-RS232接口转换器、功率计、压力变送器、电动调节阀、流量积算仪、变频器、计算机等组成。实验装置总体结构及测控系统组成如图5所示。需要测量信号时，往复泵管路中流体的压力、流量分别通过压力变送器和流量积算仪把相应压力信号（其中1，2，3点为3个缸的压力传感器）、流量信号变为模拟电信号并送入D/A数据转换器R4017，变频电动机的功率通过功率计也转变为模拟电信号输入R4017。数据转换器R4017把这几路模拟电信号转变为数字信号，并以RS485总线的形式输出，该信号通过RS485-RS232接口转换器转换为RS232电平信号，输入计算机的串口，计算机便可以采集该信号。 　　图5 往复泵实验台结构及测控系统组成 　　计算机起到控制器的作用，当需要控制变频电机的转速时，通过计算机和变频器的接口，控制变频器输出电压频率，从而调节电动机的转速。在该系统中，还有一路控制信号，即计算机通过R4017控制电动调节阀，该阀的作用是通过减小通流面积来改变管路中的阻力，从而达到模拟不同管路流体压力的目的。 　　2 测试装置在实验教学中的应用 　　该实验装置2007年开始在我校本科实验教学中使用，通过几年的使用，针对存在的问题和不足改进装置，实验功能不断得到增