油气混输教学实验台设计范文

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《实验技术与管理杂志》2016年第二期

摘要：

建立了一整套适应于本科生教学实验用的油气混输实验台。该教学实验台装置分为动力部分、泵级部分、吸入部分、排出部分、数据采集部分、控制部分、连接部分以及循环部分等。每部分根据需求进行选型设计，并设计组装油气混输实验台。通过对有关连接件的强度计算，保证了实验台的正常运行。

关键词：

实验教学；油气混输实验台；单螺杆泵；结构设计

石油工程流体机械是石油机械专业学生的重要核心课程，也是采油装备的基础性课程，具有实践性强的特点［1］。通过采油单螺杆泵特性实验能够很好掌握螺杆泵的工作特性，培养其科学实验能力和工程实践能力。学生通过对螺杆泵的工作特性的实验操作方法和步骤训练，增强工程实践能力，实现对理工科学生专业知识、实践能力和综合素质的培养要求［2－3］。针对上述目的，建立了一套合理的油气混输实验装置，制定合理的实验台方案，然后根据相关参数及数据设计油气混输实验台的各个部件，利用CAD辅助设计各部分组件，并组装成实验台。实验装置在满足工况强度要求情况下，能够正常运行。

1实验台的结构设计

1．1总体设计油气混输泵在一般情况下输送的是气液多相混合物，它的适用范围极强，可以输送纯液相介质，还可以处理不同气液比的混合介质，增压能力效果强，同时能保证高效率［4－6］。气相和液相的流量应该便于调节。为了能使气液混合介质在进入气液混合泵前能够充分、均匀混合，避免因堵塞对混合泵造成冲击，应设计一套气液混合装置。混输泵在不同转速下的运行特性并不相同，电动机的转速应该便于调节。为了后续的油气混输泵的特性研究，油气混输实验台上应对以下数据进行记录：气相流量、液相流量、泵入口压力、泵出口压力、泵轴转速和泵轴扭矩等。本油气混输教学实验台（以下简称实验台）所采用的螺杆泵为FG20－2不锈钢单螺杆泵，额定压力为1．2Mpa，额定流量为0．8m3／h；电机功率为1．1kW；进出口液相的体积流量为0～10m3／h，进口处气体的流量为0～12．5m3／h，螺杆泵入口压力为－0．1～0MPa；泵出口压力为0～5MPa；实验用介质为空气和纯水。本实验台采用开式循环系统。实验过程中介质由水箱流出，经过油气混合装置进入泵内，从泵出口再流回水箱。实验台结构设计简单，方便操作，成本花费较少［7］。整个实验台分为动力部分、泵级部分、吸入排出部分、采集部分、控制部分、连接部分等。实验台结构示意图见图1。

1．2气液混合装置若混合介质未经均匀混合进入泵体，很容易造成单相介质的堵塞［8］，从而导致泵轴上载荷发生大幅度变化，泵的运行效果将受到影响，很容易发生故障。气液混合装置能很好地避免类似突变载荷等因素造成的影响［9］。气液混合装置的结构示意图见图2。图中，L为混合管长度；D1为混合管内径；D2为同心气管外径；D3为同心气管内径；h为孔距；n为钻孔个数；d为钻孔直径。混合装置的进气部分由2个同心圆管组成，接收从空气压缩机输送来的气相介质，同心圆管在装置内部开了很多气孔，以保证和液相介质混合充分，如此设计将不容易发生堵塞。经进一步计算、实验研究，得出在L一定条件下要是混合效果更好，孔的数目尽量多些。本例选择孔径d＝4mm，钻孔间距h＝45mm，D2＝160mm。

1．3数据采集玻璃转子流量计、智能电磁流量计、转矩转速传感器、压力表和压力变送器组成该实验台的数据采集部分。玻璃转子流量计用来测量气相流量［10］，接在空气压缩机的出口玻璃转子流量计的管线分成2个通道，便于接到气液混合装置。选用ZH07型转矩转速传感器，传感器安装于三相异步电动机和单螺杆泵之间，从而记录电机在不同转速和转矩下的数据，以便进行特性研究［11］。该传感器的特点是：智能化，能同时测得正向和反向扭矩；该传感器输出的信号可以直接用电脑处理，无需再进行转换，使用低速旋转编码器来测量，响应速度快，可衡量地起动转矩，可以实现转动过程中的扭矩测量；该传感器有着很强的抗击外界干扰能力，线性度可靠，并能够得到实时的扭矩值，传感器有着紧密可靠的结构。油气两相介质具有特殊性，即具有腐蚀性和很大黏性，因此不能选用一般的流量计测量流量。混输泵的额定流量为0．8m3／h。选用LDBE型智能电磁流量计，该流量计具有测量结果准确、界面简洁、使用方便等特点，并且具有RS232、RS485和Modbus通信信号输出功能［12］。采用高智能化的微处理器，全数字化处理，反应迅速，测量结果准确可靠，不受外界的干扰，内部积算器可显示累计量及阳性差异积算量，具有自理论和自检功能。在螺杆泵特性测试的实验中，需要不断调节螺杆泵的流量，螺杆泵流量调节的实验方案一般有两种：改变电机转速和改变阀门开启度。本例中，通过安装电动球阀的方式改变阀门开启度的方式更经济实用。在循环系统的设计上，整个实验系统采用水箱作为液相源，并在水箱上部装有标定箱。液相介质从水箱被吸入到油气混合器与从空气压缩机排出的气相介质混合，经泵排出，混合介质被输送到标定箱。由于本实验采用开式设计，气相介质排到大气中，液相介质的总量基本保持不变，损失很小，可以忽略不计，从而保证实验循环有序地进行。

2实验台的连接计算

为了保证实验台设备的正常工作，必须对主要连接件进行设计、校核。

2．1传递螺栓的设计计算螺杆泵、联轴器、扭矩转速仪和电机之间为了实现可靠稳定传动，需要使用螺栓联接。已知条件有螺杆泵允许的最高转速n＝960r／min、螺杆泵的额定功率P＝1．5kW、螺杆泵传动轴直径d＝20mm、各连接法兰螺栓中心所在圆直径D0＝85mm。

2．2弹性柱销齿式联轴器的校核柱销材料常为尼龙。在联轴器中，它是薄弱环节。工作时受剪切，其切应力。

2．3流体管子尺寸设计输送流体采用无缝钢管，钢管的工作压力等级由下式确定。

3结论

本文主要研究了油气混输实验台的合理设计方案，根据需求设计了各个相关部件，并组装成实验台，利用CAD设计出油气混输实验台图纸。对主要连接件进行了强度校核，包括螺栓组、介质输送管道以及LZ型弹性柱销齿式联轴器，均满足强度要求，从而保证实验台的正常工作。

参考文献（References）

［1］万邦烈，李继志．石油工程流体机械［M］．2版．北京：石油工业出版社，1999．

［2］方红峰．实验教学在新课程中地位和作用的再认识［J］．中国教育技术装备，2006（10）：3－7．

［3］罗正祥．提高实验教学地位培养学生创新能力［J］．实验室研究与探索，2006，25（6）：589－591，597．

［4］王翀，杨新春，王海平，等．单螺杆泵油气多相混输及流程分析［J］．通用机械，2005（6）：50－53．

［5］李军峰．油气混输泵的研究与发展［J］．辽宁化工，2011，40（9）：939－942．

［6］凌国平．国内外油气混输泵技术的研究和发展［J］．华东船舶工业学院学报，2000，14（5）：83－87．

［7］赵学新．螺旋轴流式多相混输泵输送气液两相时特性试验研究［D］．青岛：中国石油大学（华东），2007．

［8］董贤勇．螺杆泵故障诊断及处理浅析［J］．石油矿场机械，2004，33（4）：53－56．

［9］赵宏，薛敦松．多相泵气液混合实验装置及现场用均化器设计［J］．石油机械，2000，28（10）：6－8，26．

［10］朱孟俊．玻璃转子流量计的正确使用与维护［J］．中国计量，2003（3）：52．

［11］陈柯行，王刚．转矩转速传感器的发展与研究［J］．航空计测技术，2003，23（6）：5－6，14．

［12］罗伯青．LDBE型智能电磁式流量传感器［J］．录井工程，2011，22（3）：74－75．

作者：王龙庭 李增亮 单位：中国石油大学（华东）机电工程学院