往复泵性能测试实验台的改进与应用

职黎光 魏航信 韩成才

西安石油大学机械工程学院 陕西西安 710065

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。

图1 往复泵特性曲线

1 实验装置的组成

图2为往复泵性能测试实验装置实物，包括往复泵主机、管路、测试仪器及水箱。图3为计算机和电气箱，包括变频器、控制电路等。

图2 往复泵性能测试实验装置

图3 往复泵实验台电气控制柜

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强，测试项目有所增加。

2.1 加强学生能力的培养

实验教学是对学生进行素质训练的重要手段，实验教学的目的，不仅是使学生加深对所学理论知识的理解，新的教学理念强调通过实验教学重视培养学生的实践能力和创新能力。因此，提高实验教学质量，既要不断地改进实验装置，使实验技术适应科技的发展，又要注重如何通过实验教学使学生的能力得到训练和提高。

往复泵性能测试实验的定位是综合性、开放性实验。实验的目是：通过实验，使学生观察往复泵工作运行的全过程，学会如何分析往复泵性能，掌握往复泵性能的测试方法。通过实验提高学生的动手能力、独立工作能力和创新能力。

在上实验课前，要求学生认真复习往复泵工作原理方面的知识，写出预习报告，引导学生了解实验测试仪器和实验测试方法。学生已学过的自动化控制和微机原理与接口技术等课程，对实验装置的自动控制软件及硬件和数据采集处理方法有所了解，实验时，要求学生掌握所有测试仪器与设备和微机连接及使用方法，培养学生的动手能力。

2.2 实验装置的应用情况

由于实验装置采用微机自动控制、变频驱动的方式，改变了以往实验只测量往复泵固定工况下特性曲线的单一形式，扩展为多种工况的测试，为此开设了“不同工况对往复泵运行的影响”的综合性实验。实验中，学生通过控制软件调节电动阀，改变管路上的阻力，模拟钻井泵在不同井深情况下工作时的匹配关系。同时还可通过变频器调节泵转速，改变泵的流量，测出泵与管路的联合特性曲线。通过多组测试数据的对比与分析，学生掌握了改变工况后影响往复泵工作的因素和特点，加深了对该种机械的理解。

通过实验，学生巩固了所学专业知识，素质能力得到了综合训练，并掌握了先进的现代测试方法。

3 结束语

实践表明，采用先进的实验方法和先进的测试手段，注重在实验教学中培养学生的综合能力，是提高实验教学质量的关键。

[1]李继志.石油钻采机械概论[M].东营:中国石油大学出版社,2009.

[2]刘金生.直线电机三缸泵机理研究[J].西南石油大学学报,2007(4):47-51.

[3]杨铁宁,张金中.直线电机驱动往复泵流量压力变化规律试验研究[J].石油矿场机械,2009,38(4):56-61.

[4]魏航信,吴伟,职黎光.变频驱动钻机自动送钻试验系统的研究[J].石油机械,2009,37(3):10-12,50.

[5]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2007.