油田用往复泵性能测试系统方案

宗 磊，骆世杰，王 宝

（1.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司，上海 201518；2.长庆油田分公司第九采油厂，宁夏银川 750001；3.渤海石油装备制造有限公司钻采装备销售公司，天津 300280）

0 引言

往复泵在石油矿场中广泛应用于石油钻井、酸化压裂、注水等生产中。随着石油工业对往复泵的要求越来越高，往复泵向着输出压力高、流量大、制造和维修方便、流量压力脉动小、体积和重量小等方向发展。我国往复泵行业产量超过460 万台，消费量超过418 万台，且每年以10%～15%的速度增长。

国内关于1640 kW（2200 HP）及以下钻井泵、1864 kW（2500 HP）及以下压裂泵的满功率传动试验系统较少，特别是能够满足1640 kW 以上钻井泵、1700 kW 以上压裂泵的部分功率各项试验。机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司作为国家钻采炼化设备质量监督检验中心，建设了具备上述试验能力的传动试验装置。该系统从2011 年立项，历时4 年建成，为我国石油钻采行业钻井泵与压裂泵的性能测试提供一个世界领先的检验检测平台，必将促进我国钻井泵与压裂泵产品向巨型化、高可靠性、高效能方向发展，达到世界技术领先水平。

1 设计原则

（1）实用原则。试验系统设计可满足目前国内使用最多的钻井泵满功率试验，同时兼顾国内目前常规最大功率钻机绞车满功率试验。能满足包括压裂泵在内的石油工业用泵的型式试验、性能鉴定以及商检等功能。以追求实用、设备利用率较高为原则。

（2）可扩展性原则。试验系统设备配置及试验工艺设计在保证当前产品测试功能的前提下，同时留有可扩展的空间。

（3）最大灵活性原则。试验系统设计尽可能采用灵活多变的装卡方式，方便以后各种试验要求。

2 动力系统配置

（1）直流电机。配有750 kW、1600 kW 和2000 kW 直流电机作为测试系统动力源，根据测试对象额定功率不同，可匹配不同规格电机。750 kW 直流电机基转速为1125 r/min，最高转速为2000 r/min，最大扭矩可达7213 N·m；1600 kW 直流电机基转速为650 r/min，最高转速为1000 r/min，最大扭矩可达21 900 N·m；2000 kW 直流电机基转速为313 r/min，最高转速为1000 r/min，最大扭矩可达60 000 N·m。

（2）变速器。2000 kW 增速器2 台，1 台增速比为1∶1.5，输入转速为0～1000 r/min；另1 台增速比为1∶2.118，输入转速为0～1000 r/min。2000 kW 减速器3 台，2 台减速比为1.909∶1，输入转速为0～1000 r/min；另1 台减速比为1.423∶1，输入转速为350～526 r/min，作为二级减速设备；齿轮变速器1 台，增速比为1∶1.79、减速比为2.19∶1，作为备用。变速器配有专门的冷却润滑系统，确保变速器正常运转。

（3）连接设备。1 台联轴器，若干半尺法兰和过度法兰。

（4）扭矩转速传感器。用于测量往复泵输入转速与输入扭矩。配有不同规格若干台，根据不同测试对象进行匹配安装，具体参数:DSTP-5000 最大负载扭矩为49 000 N·m，最高转速为1500 r/min，JC4B 最大负载扭矩为50 000 N·m，最高转速为2000 r/min，DSTP-2000 最大负载扭矩为19 600 N·m，最高转速为2000 r/min，DSTP-1000 最大负载扭矩为9800 N·m，最高转速为1000 r/min。

3 循环系统

（1）高压管汇。2 英寸高压管线，额定压力140 MPa；4 英寸高压管线，额定压力70 MPa。

（2）憋压阀组。用于调节循环介质（清水）压力。空载循环时所有调节阀处于全开位置，逐级加压的过程中，调节阀按照固定顺序逐渐关闭，压力变送器实时监测阀前后压力，确保每台阀门的阀前、阀后压力在规定范围内；泄压过程中阀门动作顺序相反。

（3）低压管汇。为4 英寸常压管线，法兰连接。设计时保有一稳压段，用于安装电磁流量计，稳压段分为两路，4 英寸管线走大流量，2 英寸管线走小流量，用以提高流量测量精度。通过电动闸阀切换管路。低压管汇末端需提供背压，以确保流量测量时为满管状态。

（4）循环水箱。循环水箱为4×45 m3，用于循环介质（清水）过渡存储。灌注泵2 台，流量300 m3/h，扬程50 m，功率75 kW，一备一用，通过电动闸阀进行切换。水箱配有排泄口与注水口，用于循环介质（清水）的排放与注入。

（5）吸入管汇。为低压管线，通径12 英寸。一端与灌注泵相连，同时与循环水箱直接相通，用于往复泵自吸测试，通过电动闸阀进行切换。吸入管汇另一端通过金属软管与往复泵连接。

（6）主要仪表。压力变送器测量往复泵排出压力和吸入压力；电磁流量计测量往复泵排出流量和吸入流量；温度变送器分别测量往复泵排出温度和吸入温度。

4 控制测试系统

（1）测量控制系统。采用先进可靠的自动控制和数据自动采集、处理系统。根据往复泵、传动机组或其他被试件的相关标准要求，自动设置试验程序，自动或手动完成试验，记录打印表格和特性曲线，超限报警，现场视频监控设施等；测功机校准装置（静、动校准）。

（2）测量参数。泵出口压力、流量、泵冲次、输入扭矩、输入转速、试验液温度、关键部件温度等。因泵出口压力波动较大，且有滞后，应具备瞬间采集数据能力，并能提供较长时间段（以s 为单位）的平均值，否则无法计算泵的效率。

（3）计算数据。泵的容积效率、总效率等。

考虑各种过载保护和联动防止误操作，特别是电机电流、高压管汇压力及传动轴扭矩等会引起重大事故的控制点，应设置过载保护。仪表精度应小于0.2%。

5 系统设备方案

（1）设备组成。动力设备（直流电机）+传动设备（变速器）+被测设备（往复泵）+循环系统。其中循环系统包括:高压管线（与往复泵液力端排出口相接）+憋压阀组+低压管线+循环水箱+吸入管线（与往复泵液力端吸入口相接）。

（2）测试参数。扭矩转速传感器（与被测设备动力端输入轴相连），用于测量被测设备的输入扭矩和输入转速；电磁流量计（安装于低压管线直管段），用于测量被测设备的排出流量；压力变送器（安装于被测设备液力端排出口），用于测量被测设备的排出压力；压力变送器（安装于被测设备液力端吸入口），用于测量被测设备的吸入压力；温度变送器（安装于被测设备液力端吸入口）；电磁流量计（安装于被测设备液力端吸入口），用于测量被测设备的吸入流量。

（3）憋压过程。当被测设备达到额定测试转速后，需要按照测试方案的要求进行憋压。憋压阀组逐级加压过程中，调节阀按照固定顺序逐渐关闭；调节阀在逐次关闭过程中要保持阀门压力不高于试验系统的阀门压力，阀前后压力由压力变送器实时监测，确保每台阀门的阀前、阀后压力在规定范围内；泄压过程中阀门的动作顺序相反。

（4）测试结果。当被测设备的输入转速、排出压力达到稳定状态后，可测得电磁流量计的排出流量，以及扭矩转速传感器的输入扭矩，根据上述4 个参数可得出往复泵的总效率、容积效率。

（5）装夹定位。管路系统采用固定基座，安装定位后不再随试验泵不同而变化；吸入管和排出管采用可移动柔性连接方式。动力、测量及被试泵的装夹定位采用工字钢排列而成的钢底座，可方便适应不同泵的装卡，安装。也可采用简单的底座，适应几种固定形式的泵。

（6）试验液冷却。采用一套强制冷却系统，散去试验液产生的热量，保持试验液温升在一定范围内。变速箱采用强制冷却系统，配置两套润滑油冷却系统，润滑油采用水冷；循环水罐及强制冷却系统安装在试验厂房外，用管线连接。

6 结论

往复泵测试系统2015 年10 月建设完成，当年通过了上海市质量技术监督局及国家质量技术监督局验收。试验室布置、设备配置、控制水平、测试精度、测试范围（动力、流量）、安装和节能减排等方面都达到了国家先进水平。近几年先后为国内多家往复泵生产企业进行了型式试验，测试的泵型号:F2200、F1600、F1300泥浆泵，YL2800-70、YL2500-105、YL1400-140 压裂泵；测试过程及测试结果均得到了往复泵生产企业的认可，也为企业往复泵的技术升级和产品改进提供了非常准确的第一手现场数据。