油氣混輸教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)范文

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《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理雜志》2016年第二期

摘要：

建立了一整套適應(yīng)于本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)用的油氣混輸實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置分為動(dòng)力部分、泵級(jí)部分、吸入部分、排出部分、數(shù)據(jù)采集部分、控制部分、連接部分以及循環(huán)部分等。每部分根據(jù)需求進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)組裝油氣混輸實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)對(duì)有關(guān)連接件的強(qiáng)度計(jì)算，保證了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；油氣混輸實(shí)驗(yàn)臺(tái)；單螺桿泵；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石油工程流體機(jī)械是石油機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生的重要核心課程，也是采油裝備的基礎(chǔ)性課程，具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)［1］。通過(guò)采油單螺桿泵特性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎谜莆章輻U泵的工作特性，培養(yǎng)其科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰凸こ虒?shí)踐能力。學(xué)生通過(guò)對(duì)螺桿泵的工作特性的實(shí)驗(yàn)操作方法和步驟訓(xùn)練，增強(qiáng)工程實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)理工科學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)要求［2－3］。針對(duì)上述目的，建立了一套合理的油氣混輸實(shí)驗(yàn)裝置，制定合理的實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案，然后根據(jù)相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)油氣混輸實(shí)驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)部件，利用CAD輔助設(shè)計(jì)各部分組件，并組裝成實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)裝置在滿(mǎn)足工況強(qiáng)度要求情況下，能夠正常運(yùn)行。

1實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1總體設(shè)計(jì)油氣混輸泵在一般情況下輸送的是氣液多相混合物，它的適用范圍極強(qiáng)，可以輸送純液相介質(zhì)，還可以處理不同氣液比的混合介質(zhì)，增壓能力效果強(qiáng)，同時(shí)能保證高效率［4－6］。氣相和液相的流量應(yīng)該便于調(diào)節(jié)。為了能使氣液混合介質(zhì)在進(jìn)入氣液混合泵前能夠充分、均勻混合，避免因堵塞對(duì)混合泵造成沖擊，應(yīng)設(shè)計(jì)一套氣液混合裝置。混輸泵在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行特性并不相同，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該便于調(diào)節(jié)。為了后續(xù)的油氣混輸泵的特性研究，油氣混輸實(shí)驗(yàn)臺(tái)上應(yīng)對(duì)以下數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄：氣相流量、液相流量、泵入口壓力、泵出口壓力、泵軸轉(zhuǎn)速和泵軸扭矩等。本油氣混輸教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)）所采用的螺桿泵為FG20－2不銹鋼單螺桿泵，額定壓力為1．2Mpa，額定流量為0．8m3／h；電機(jī)功率為1．1kW；進(jìn)出口液相的體積流量為0～10m3／h，進(jìn)口處氣體的流量為0～12．5m3／h，螺桿泵入口壓力為－0．1～0MPa；泵出口壓力為0～5MPa；實(shí)驗(yàn)用介質(zhì)為空氣和純水。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中介質(zhì)由水箱流出，經(jīng)過(guò)油氣混合裝置進(jìn)入泵內(nèi)，從泵出口再流回水箱。實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便操作，成本花費(fèi)較少［7］。整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)分為動(dòng)力部分、泵級(jí)部分、吸入排出部分、采集部分、控制部分、連接部分等。實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

1．2氣液混合裝置若混合介質(zhì)未經(jīng)均勻混合進(jìn)入泵體，很容易造成單相介質(zhì)的堵塞［8］，從而導(dǎo)致泵軸上載荷發(fā)生大幅度變化，泵的運(yùn)行效果將受到影響，很容易發(fā)生故障。氣液混合裝置能很好地避免類(lèi)似突變載荷等因素造成的影響［9］。氣液混合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。圖中，L為混合管長(zhǎng)度；D1為混合管內(nèi)徑；D2為同心氣管外徑；D3為同心氣管內(nèi)徑；h為孔距；n為鉆孔個(gè)數(shù)；d為鉆孔直徑。混合裝置的進(jìn)氣部分由2個(gè)同心圓管組成，接收從空氣壓縮機(jī)輸送來(lái)的氣相介質(zhì)，同心圓管在裝置內(nèi)部開(kāi)了很多氣孔，以保證和液相介質(zhì)混合充分，如此設(shè)計(jì)將不容易發(fā)生堵塞。經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究，得出在L一定條件下要是混合效果更好，孔的數(shù)目盡量多些。本例選擇孔徑d＝4mm，鉆孔間距h＝45mm，D2＝160mm。

1．3數(shù)據(jù)采集玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、壓力表和壓力變送器組成該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集部分。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)用來(lái)測(cè)量氣相流量［10］，接在空氣壓縮機(jī)的出口玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的管線(xiàn)分成2個(gè)通道，便于接到氣液混合裝置。選用ZH07型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器安裝于三相異步電動(dòng)機(jī)和單螺桿泵之間，從而記錄電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行特性研究［11］。該傳感器的特點(diǎn)是：智能化，能同時(shí)測(cè)得正向和反向扭矩；該傳感器輸出的信號(hào)可以直接用電腦處理，無(wú)需再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使用低速旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)量，響應(yīng)速度快，可衡量地起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的扭矩測(cè)量；該傳感器有著很強(qiáng)的抗擊外界干擾能力，線(xiàn)性度可靠，并能夠得到實(shí)時(shí)的扭矩值，傳感器有著緊密可靠的結(jié)構(gòu)。油氣兩相介質(zhì)具有特殊性，即具有腐蝕性和很大黏性，因此不能選用一般的流量計(jì)測(cè)量流量。混輸泵的額定流量為0．8m3／h。選用LDBE型智能電磁流量計(jì)，該流量計(jì)具有測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、界面簡(jiǎn)潔、使用方便等特點(diǎn)，并且具有RS232、RS485和Modbus通信信號(hào)輸出功能［12］。采用高智能化的微處理器，全數(shù)字化處理，反應(yīng)迅速，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，不受外界的干擾，內(nèi)部積算器可顯示累計(jì)量及陽(yáng)性差異積算量，具有自理論和自檢功能。在螺桿泵特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)中，需要不斷調(diào)節(jié)螺桿泵的流量，螺桿泵流量調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)方案一般有兩種：改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和改變閥門(mén)開(kāi)啟度。本例中，通過(guò)安裝電動(dòng)球閥的方式改變閥門(mén)開(kāi)啟度的方式更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。在循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用水箱作為液相源，并在水箱上部裝有標(biāo)定箱。液相介質(zhì)從水箱被吸入到油氣混合器與從空氣壓縮機(jī)排出的氣相介質(zhì)混合，經(jīng)泵排出，混合介質(zhì)被輸送到標(biāo)定箱。由于本實(shí)驗(yàn)采用開(kāi)式設(shè)計(jì)，氣相介質(zhì)排到大氣中，液相介質(zhì)的總量基本保持不變，損失很小，可以忽略不計(jì)，從而保證實(shí)驗(yàn)循環(huán)有序地進(jìn)行。

2實(shí)驗(yàn)臺(tái)的連接計(jì)算

為了保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備的正常工作，必須對(duì)主要連接件進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核。

2．1傳遞螺栓的設(shè)計(jì)計(jì)算螺桿泵、聯(lián)軸器、扭矩轉(zhuǎn)速儀和電機(jī)之間為了實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定傳動(dòng)，需要使用螺栓聯(lián)接。已知條件有螺桿泵允許的最高轉(zhuǎn)速n＝960r／min、螺桿泵的額定功率P＝1．5kW、螺桿泵傳動(dòng)軸直徑d＝20mm、各連接法蘭螺栓中心所在圓直徑D0＝85mm。

2．2彈性柱銷(xiāo)齒式聯(lián)軸器的校核柱銷(xiāo)材料常為尼龍。在聯(lián)軸器中，它是薄弱環(huán)節(jié)。工作時(shí)受剪切，其切應(yīng)力。

2．3流體管子尺寸設(shè)計(jì)輸送流體采用無(wú)縫鋼管，鋼管的工作壓力等級(jí)由下式確定。

3結(jié)論

本文主要研究了油氣混輸實(shí)驗(yàn)臺(tái)的合理設(shè)計(jì)方案，根據(jù)需求設(shè)計(jì)了各個(gè)相關(guān)部件，并組裝成實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用CAD設(shè)計(jì)出油氣混輸實(shí)驗(yàn)臺(tái)圖紙。對(duì)主要連接件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，包括螺栓組、介質(zhì)輸送管道以及LZ型彈性柱銷(xiāo)齒式聯(lián)軸器，均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，從而保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)的正常工作。

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作者：王龍庭 李增亮 單位：中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院