潜油电泵水平测试系统研究

王庆辉，赵晓龙，于继林

（1.长庆油田分公司物资供应处，陕西西安 710018；2.渤海装备钻采装备销售公司，天津 300280）

0 引言

潜油电泵水平测试系统（HPTS）在国外已有较长时间发展。根据调研，潜油电泵生产商美国雷达公司、森垂公司早已拥有此类测试系统，并在实际生产和科研开发工作中起到极其重要的作用。国内有关水泵测试系统的技术已有较长时间发展和应用，但是针对潜油电泵开发的水平测试系统还处于初级阶段。国内几家潜油电泵厂家均未采用水平测试系统。

要研制具有高携气能力的潜油电泵气体处理器，必须要有相应的测试设备测试其各项性能，这种测试设备所必备的能力是能够实现量化的气液混合介质的供给。渤海装备钻采装备销售公司现有的潜油电泵测试系统都不具有这种能力，且采用垂直试验的方法。尽管潜油电泵垂直测试具有很多优点，例如，可以模仿现场井况。但是潜油电泵垂直测试也有一定缺点，起下作业操作复杂、测试费用高，输入泵的功率计算复杂等。

1 HPTS 研究方向及目标

HPTS 包括四大部分设计，即动力供给、介质供给（气体供给、液体供给及气液混合）、试验监测和试验平台。HPTS 可用于101、130 等系列泵的测试；可测量的排量范围≤4700 m3/d，可测量的扬程范围≤2000 m。

2 试验装置研究方法及原理

HPTS 通过各环节的监测设备对泵轴输入转矩、电机转速、供液流量、泵的入口及出口压力、气体流量及压力的精确测量，通过人为方式或计算机的直接转化，得到泵的功率、扬程、排量及效率。通过控制介质，HPTS 可以对各系列潜油泵（整节泵、单级和多级叶导轮）在不同介质下的性能参数进行精确测试，并且能够通过功能扩展，实现新型叶导轮及泵的测试，验证叶导轮的水力设计。

HPTS 主要由动力供给、介质供给、试验监测、试验平台等4 部分组成。动力供给部分主要由地面三相异步电机和控制屏或变频器组成，实现电能到机械能的转化，若采用变频器则可实现电机转速的控制。介质供给又分为两部分:①液体（水）供给部分，主要包括水箱、供水管线、吸入口、回水管线及相应阀门；②气体供给部分，包括供气源、输气管线、注气室、压力调节开关及相应阀门。介质供给部分可以实现试验介质的单相化及两相化（气、水混合）。监测部分主要包括计算机、数据采集卡、数据传输线、各智能仪表及温度传感器等，实现试验过程的监视及数据测量。试验平台部分包括各种支撑设备、固定设备及止推室，其作用是固定试验各设备位置，保证试验顺利进行，止推室起到承载泵的轴向力作用。

HPTS 试验介质循环过程:水介质由水箱经过供水管进入吸入口，气体经供气管线进入注气室，并在此与水混合后进入泵中，通过泵后，经高压阀门及回水管返回水箱。电机提供动力，在电机和止推室之间安装转矩传感器，用于测量泵轴的输入转矩；在吸入口处泵出口和高压阀门之间各安装一个压力表，用于测量泵入口及出口处压力；流量计安装在供水管线上，用于测量进入泵的介质流量。

选用H 型钢及钢板，经焊接构成试验平台的主体支架或滑轨；选用钢及钢板经焊接构成电机支架；转矩传感器支架、止推室支架及泵支架由钢板焊接而成。各部分通过螺栓固定，电机位置可做较小调整，泵支架设计为高度可调，并可适应外径86～172 mm 的泵。

在滑轨上，主要零件由动力源起依次为动力源（电机）、转矩传感器、止推室、吸入口、注气室、泵。电机、转矩传感器和止推室分别通过联轴器进行轴连接；止推室、吸入口、注气室及泵外部壳体通过法兰连接，内部轴之间通过键连接。泵与高压阀门采用便于拆装的接箍式连接。

在吸入口及高压阀接箍处安装智能压力表；在供水管线及供气管线上安装流量计，流量计支架设计成可移动式；水介质传输管线采用橡胶管；气体传输管线采用橡胶管与金属管相结合；水箱与供水管、供水管与流量计、供水管与吸入口、高压阀与回水管、回水管与水箱之间均采用快速接头进行连接。

3 HPTS

3.1 潜油泵轴向力的平衡

泵的进、出口压差较大，轴截面产生的轴向力可达到10～20 kN，该轴向力既不能作用于机械密封，也不能传给电机，必须由止推室承担。泵在启动时，由于泵出口的压力还没有建立，在入口水压力的作用下，泵轴向泵出口方向移动，轴向上将产生一个指向泵出口方向的力。由于泵轴、吸入口轴及止推室轴采用键连接，因此这个轴向力对止推室不会有太大的力的作用，所以只在止推室中增加一个相对反向的角接触球轴承承担此力。电泵正常工作时，会产生一个很大的指向电机方向的轴向力，在止推室内通过安装一组同方向的角接触球轴承，共同承担此轴向力。

3.2 吸入口与止推室的密封

吸入口与止推室连接紧密，可以看作一个整体。作为介质进入泵的入口，其密封非常重要，其壳体与直接接触件采用焊接连接，轴与非转动件间采用机械密封以达到较好密封效果。轴承的固定采用端盖压紧和锁紧螺母锁紧。壳体和与之直接接触的零件采用焊接进行连接；端部非转动件之间采用O 形密封圈进行密封，螺栓连接固定；轴与非转动件之间采用进口Circle Seal唇形密封圈进行密封。

3.3 焊接组对

组对是焊接前必须要做的工作，直接影响焊接的最终精度，通常由专业人士进行，此次组对工作由项目组成员自己完成。项目组成员通过测量、分析，定出每一零件的具体位置，然后使用相应的卡具将之固定，最终完成整体支架、电机支架、止推室支架、泵支架及转矩传感器支架等的组对。

3.4 焊接变形

装置的众多部件均需焊接完成，包括对精度要求较高的止推室及吸入口。焊接通常会造成零部件变形，除了通过准确组对外，必须要考虑其他方法。在没有更好的焊接条件情况下，最终对组对好的零部件进行对称焊接，止推室及吸入口等采用快速围焊，将变形影响减到最小。焊接后的部件再进行测量，记录尺寸偏差，在装配过程中，各部件互补装配，将整体尺寸偏差减到最小。

3.5 各部件的定位

各部件的定位本在系统设计阶段就已确定，但因构买零件的尺寸偏差及各部件组装过程造成的偏差，必须进行修正。

3.6 气体注入

设计注气室，注气室安装于吸入口及泵之间，在注气室中实现气液混合。在注气管路上设计U 形弯并安装排水阀门，防止水倒流，影响测试。在注气管路上安装气体流量计、气体流量调节阀及压力调节器等，测试气体注入量等参数。

3.7 计算机监控测试

HPTS 的实验数据采集要求不仅可以通过各仪表直接读取，还要实现计算机的识别读取。为此，采用数据采集与传感器相结合的方式，设计以计算机为中心的测控系统，编写液体测试软件及注气测试软件。

3.8 技术创新点

（1）PGP（气体处理器）的叶导轮叶片采用轴流式扭曲结构，有较强的携气能力；叶轮轮毂柱面采用变径形式，使入口过流面积远大于出口过流面积，使井液中的游离气体受到压缩，气泡体积减小或溶入液体中，经多级叶导轮的作用，井液进入潜油泵后，潜油泵发生气锁、气蚀的可能性大大减小。

（2）PGP 采用整体压紧式结构，采用反向旋转锁紧螺母及半环，对叶轮及轴进行锁紧固定，确保在运转时，叶轮、导轮间无磨损，延长使用寿命。

（3）HPTS 实现介质供给控制，可以量化供液供气，测试在气液混合作用下泵类产品的性能参数，分析其对气液混合介质的适应性，指导开发及应用。

（4）HPTS 实现整个试验过程的计算机监测，能够及时反映出各参数之间的变化。

4 结论

HPTS 用于单相流体（水介质）下泵的性能参数测试，和原有测试系统相比，它同时具有结构简单、测量范围大、可对泵进行整体测试、测试数据采集与电机无关等特点，测试结果更为可靠。

HPTS 可以在双相流（水、气）作用下测试泵的性能参数，这是以往所有测试系统不具备的。对已有叶片类产品在双相流作用下性能变化的认识更为具体明了，对叶片类产品的开发研制将起到重要指导作用。