ESP bench test operating points

Technical analysis of multistage centrifugal pump sections. Discuss stage geometry, head and flow performance curves, and material selection for ESP systems
iikiikiik
User avatar
Posts: 13
Joined: Thu Dec 13, 2018 5:48 am

ESP bench test operating points

Post by iikiikiik »

Hi all.

Turning to you as more experienced specialists.
Need to write software for an ESP test stand.

Question on picking operating points outside and inside the operating range. Attached is a plot from an old project report I was not on. Dashed lines - nameplate nominals; solid - test lines.

In my view the test points are wrong because they are not inside the -Q...+Q tolerance set before the test. Is that so?

Image
Original topic
Здравствуйте!
Обращаюсь к Вам как к более опытным специалистам.
Появилась необходимость написать ПО для стенда тестирования ЭЦН.
Есть вопрос в подборе режимных точек вне рабочей зоны и внутри рабочей зоны. Есть график с отчета одного из старых проектов, в котором я не участвовал (прикладываю). Пунктирные линии - номинальные значения с паспорта насоса, сплошные - тестовые линии.
В моём понимании тестовые точки подобраны неверно, так как находятся не в допуске -Q...+Q, который указывается перед испытанием. Так ли это? 

Image
iikiikiik
User avatar
Posts: 13
Joined: Thu Dec 13, 2018 5:48 am

Re: ESP bench test operating points

Post by iikiikiik »

In my view the internet example below is correct - each test point was taken at the matching nominal with the -Q...+Q tolerance held. Right?

Image
Original reply
В моем понимании нижеприведенный пример из интернета является правильным, так как каждая тестовая точка была зафиксирована в соответствующей ей номинальной точке и с выдержкой допуска -Q...+Q. Верно?

Image
iikiikiik
User avatar
Posts: 13
Joined: Thu Dec 13, 2018 5:48 am

Re: ESP bench test operating points

Post by iikiikiik »

Another question. Colleagues say it is hard to hit the required head point within tolerance (two gate valves DN25 and DN80 will be used).
In GOST I read:

"5.4.3 Speed during the test

Unless otherwise agreed, tests may be run at 50% to 120% of rated (design) speed for determining rate, head, and power. Note that deviation of more than 20% from design speed affects efficiency."

So to reach a given head you can lower/raise frequency by some percent and then recalculate to 50 Hz.
Has anyone done that? How effective is it?
Original reply
Назрел еще один вопрос. Коллеги утверждают, что проблематично выйти на нужную точку напора с заданным допуском (будут использоваться две задвижки ДУ25 и ДУ80).
В ГОСТе прочитал следующее:

"5.4.3 Частота вращения при испытании

Если нет специальной договоренности, то испытания можно проводить при частоте вращения от 50 % до 120 % установленной (расчетной) частоты для определения подачи, напора и потребляемой мощности. Тем не менее, надо иметь в виду, что отклонение более чем на 20 % расчетной частоты вращения оказывает влияние на КПД."

Получается, что для достижения заданного напора можно понижать/повышать частоту на определенный процент с дальнейшим пересчётом на 50Гц.
Кто-то сталкивался с такой практикой? Насколько это эффективно?
afangens
User avatar
Posts: 71
Joined: Fri Jul 27, 2018 1:29 pm

Re: ESP bench test operating points

Post by afangens »

Hi all. If test-stand hardware and software are chosen and built correctly, testing will not be a problem.

DN25 with no head: capacity 425 m3/d (far-right non-operating point, H=0)
DN80 with no head: capacity 4340 m3/d (far-right non-operating point, H=0)

That assumes calculated flow area equals the throttle nominal diameter - not always true.
Do NOT buy a multi-valve discrete gate - then you can forget GOST-quality testing.

Why two throttles? Take one with a half-moon disk + a correctly sized stepper drive.
That works fine in auto with PID on speed depending on distance to the capture zone.
Set capture zone per GOST Class 1 +-4.5%. Trouble can be ESPs up to 20 m3/d.

Test-test-stand software must have real-time recalculation of Q, H, and P vs speed.
For Russia catalog speed is usually 2910 rpm (50 Hz); Western 3500 rpm (60 Hz).
All parameters correct to catalog speed per GOST or API formulas.

On curves:
Use a 5th-degree approximating polynomial (6 coeffs); 7-9 points are enough. That is the accepted standard abroad.
Borets, Alnas, Novomet - their databases store 5th-degree equations as I wrote above.
Do NOT use SPLINE the way some Russian OEMs do - that is either ignorance or hiding fraud.

Many more nuances...
Original reply
Добрый день,
Если железо стенда и ПО подобраны и разработаны верно, то проблем с испытаниями не будет.

ДУ25 без напора пропускная способность 425 м3/сут (крайняя правая нерабочая точка, при H=0)
ДУ80 без напора пропускная способность 4340 м3/сут (крайняя правая нерабочая точка, при H=0)

Это при условии, что расчетное проходное сечение = диаметру условного прохода дросселя. Но это не всегда так.
Ни в коем случае не вздумайте приобретать многоклапанную дискретную задвижку, тогда Вы точно можете забыть о качестве испытаний согласно ГОСТ.

Зачем Вам брать два дросселя, возьмите один с диском в виде полумесяца + правильно подобранный шаговый привод.
Все это работает отлично, в автомате, с учетом режима ПИД по скорости, в зависимости от расстояния до зоны захвата точки.
Зону захвата устанавливайте согласно ГОСТ по 1 классу +-4.5%. Проблемы могут составлять ЭЦН ДО 20 м3/сут.

ПО стенда гарантировано должно иметь формулу пересчета в реальном времени по Q, H и Р от оборотов.
Обычно для России каталожными являются 2910 (50Гц) об/мин, для западных 3500 (60Гц) об/мин.
Все параметры корректируются на каталожные обороты, по формулам указанным в ГОСТ или API.

Относительно кривых:
Используйте апрокимационный полином 5 степени (6 коэф), точек достаточно не более 7-9. Это общепризнанный стандарт за рубежом.
Борец, Алнас, Новомет - их базы хранятся в уравнениях 5 степени, как я писал выще.
Ни в коем случае не используйте SPLINE, как некоторое производители в России, они их используют от безграмотности, или скрыть обман.

Есть еще много нюансов...
iikiikiik
User avatar
Posts: 13
Joined: Thu Dec 13, 2018 5:48 am

Re: ESP bench test operating points

Post by iikiikiik »

Thanks for the answer!

A couple of questions from your reply:

1) Did I understand correctly that with a 5th-degree polynomial you can find H=f(Q), hit it within -Q...+Q, and take readings there? I.e. you do not have to hit exactly the OEM-listed points, but use approximation based on OEM points?

2) "So to reach a given head you can lower/raise frequency by some percent and then recalculate to 50 Hz." Can you comment?
Example: I got near the needed rate point but cannot get inside -Q...+Q with the valves to take readings. Can I raise/lower speed to hit the rate point more precisely, take readings, and recalculate to 50 Hz (2910 rpm)?
Original reply
Благодарю за ответ!

Пару вопросов на основе Вашего ответа:

1) Правильно ли я понял, что с помощью аппроксимации полиномом 5ой степени можно найти точку H=f(Q), выйти на нее с допуском -Q...+Q и снять там показания? То есть не обязательно выходить именно на точки, указанные производителем насоса, а использовать аппроксимацию на основе точек производителя?

2) " Получается, что для достижения заданного напора можно понижать/повышать частоту на определенный процент с дальнейшим пересчётом на 50Гц." Можете что-то сказать по поводу этого моего утверждения?
К примеру. Я приблизился к нужной мне точке расхода, но не могу с помощью задвижек попасть в допуск -Q...+Q, чтобы снять показания. Могу ли я увеличить/уменьшить частоту вращения, чтобы более точно выйти к точке расхода, снять показания и пересчитать их на 50Гц (2910 об/мин).
afangens
User avatar
Posts: 71
Joined: Fri Jul 27, 2018 1:29 pm

Re: ESP bench test operating points

Post by afangens »

Hi all. May repeat myself, but in order...

On question 1:
1. The plant gives you points, not curve equations (as it should be!!!), so you must plot them. From the math you get polynomial approximating equations and build them in software.

2. Decide capture points. Per API, 7 points are enough (3 operating); distribute them preferably evenly across the tested zone:
- point 1, H=0, Q=max
- point 2, midpoint 1-3
- point 3, right edge of operating range, Q_op,max
- point 4, nominal operating point, Q_op,nom (do NOT confuse with best-efficiency point at max efficiency!!!)
- point 5, left edge of operating range, Q_op,min
- point 6, midpoint 5-7
- point 7, Q=0, usually H=max

!!! OEM points are only for building curves - you do not always take them as control points!!! Especially since their count and placement are not regulated by any technical document.

If Rosneft ETT (Unified Technical Requirements), 9 points (5 operating) - add +2 in the operating range to the above.

3. With GOST capture zone +-4.5% (API +-5%), run the test. E.g. for ESP200 if you need capture at 200 m3, the zone is 191...209 m3; in that zone the flow-control mechanism freezes, wait 5-10 s, and log the point. That time covers:
- flow stabilization
- flowmeter settling (depends on type and OEM)
- etc.

On question 2:
Changing frequency affects all measured parameters: Q, H, and P - not only Q. I would not abuse that. Formula accuracy is not unlimited.
Closer to catalog frequency = closer to reality. Practically you can work within ~1%: 2881-2939 rpm. From practice that band holds even on analog sensors; with digital you can get oscillation of only 2-3 rpm.
Also, speed off nameplate will hurt if you plan claims against OEMs.

Some issues mainly for ESP 10....25 - that is its own topic.
Original reply
Добрый день,
Может, где то опять повторюсь, но все же по порядку...

По первому вопросу:
1. Завод Вам предоставляет точки, а не уравнения кривых (как это должно быть!!!), следовательно Вам их необходимо начертить. Согласно математических расчетов Вы получаете уравнения полиномиальных аппроксимирующих кривых и строите их в программе.

2. Определяетесь с точками в которых будет произведен захват. Согласно API достаточно 7 точек (3 рабочих), распределяете их, желательно равномерно по всей испытуемой зоне:
- точка 1, при H=0, Q=max
- точка 2, середина 1-3
- точка 3, правая точка рабочей зоны, Qраб, макс  
- точка 4, номинальная точка рабочей зоны,  Qраб, ном ( не путайте с оптимальной, при КПД мах !!!)  
- точка 5, левая точка рабочей зоны, Qраб, мин   
- точка 6,  середина 5-7
- точка 7, при Q=0, обычно это H=max

!!! Точки завода только для построения кривых и не более, Вы не всегда их должны принимать за контрольные!!! Тем более, что их количество и расположение не регламентировано ни одним техническим документом.

если ЕТТ Роснефть достаточно 9 точек (5 рабочих), в вышеуказанным добавляете + 2 в рабочую зону.

3. С учетом, зоны захвата ГОСТ +-4.5 (API +-5%), проводите испытания, т.е. если для ЭЦН200, например Вам необходимо произвести захват в 200мкуб, следовательно зона будет 191...209 м3, в этой зоне происходит замирание механизма регулирования потока, даете 5-10 сек, и фиксируете точку. Это время учитывает:
- стабилизацию потока
- отработку расходомера (зависит от типа и производителя расходомера)
- ...тд

По второму вопросу:
Изменение частоты повлияет на все измеряемые параметры: Q, H и P, а не только на Q. Этим параметром я бы не злоупотреблял. Точность данных формул не безгранична.
Чем ближе Вы к каталожной частоте, тем реальнее Вы к действительности. Практически можно работать до  1% : 2881- 2939 об./мин. Из практики скажу, что этот диапазон нормально удерживается даже на аналоговых датчиках, а если подключите цифрового, достигните и по колебаниям не более 2-3 об.
Так же, изменение оборотов от номинала, повлияет если планируете вести претензионную работу с заводами.

Некоторые проблемы могут быть только для ЭЦН 10....25, но это тема со своими особенностями.
iikiikiik
User avatar
Posts: 13
Joined: Thu Dec 13, 2018 5:48 am

Re: ESP bench test operating points

Post by iikiikiik »

Thanks for the detailed explanations!
Original reply
Спасибо за подробные объяснения!
iikiikiik
User avatar
Posts: 13
Joined: Thu Dec 13, 2018 5:48 am

Re: ESP bench test operating points

Post by iikiikiik »

DLP wrote: Why two throttles? Take one with a half-moon disk + a correctly sized stepper drive.
That works fine in auto with PID on speed depending on distance to the capture zone.
Can you recall make and model of the valve and stepper drive used?
Original reply
Зачем Вам брать два дросселя, возьмите один с диском в виде полумесяца + правильно подобранный шаговый привод.
Все это работает отлично, в автомате, с учетом режима ПИД по скорости, в зависимости от расстояния до зоны захвата точки.


Можете вспомнить марку и модель используемой задвижки и шагового привода?
afangens
User avatar
Posts: 71
Joined: Fri Jul 27, 2018 1:29 pm

Re: ESP bench test operating points

Post by afangens »

Could not find how to PM, so search for Impulse-Gaz, throttle regulator with electric drive.
For the geared drive, everyone picks and sizes from their own experience.
Some use servos, some steppers. Everyone has their quirks.
No skill and feel - no luck.
Original reply
Не нашел, как скинуть в личку, поэтому наберите в поисковике Импульс-Газ, регулятор дроссельный с электроприводом.
По приводу с редуктором, каждый подбирает и рассчитывает сам, основываясь на свой опыт.
Кто то сервомоторы, кто то шаговые. У каждого свои тараканы.
Тут без навыка и чуйки ни как.
iikiikiik
User avatar
Posts: 13
Joined: Thu Dec 13, 2018 5:48 am

Re: ESP bench test operating points

Post by iikiikiik »

Hello! One more question.
You wrote: "- point 4, nominal operating point, Q_op,nom (do NOT confuse with best-efficiency point at max efficiency!!!)"

So do not confuse it with the rate at max pump efficiency? Am I right that walking the operating range I should find max-efficiency rate, record it, and compare that rate to the nominal operating-point rate (where in theory efficiency is max)?
Original reply
Здравствуйте! У меня к Вам еще один вопрос.
Вы написали:" - точка 4, номинальная точка рабочей зоны,  Qраб, ном ( не путайте с оптимальной, при КПД мах !!!) "

Я так понимаю, что не путать точкой расхода при макс. кпд насоса? Правильно я понимаю, что проходя по рабочей зоне насоса я должен найти точку максимального КПД, записать в этой точке расход и сравнить этот расход с расходом в номинальной точке рабочей зоны(в которой по сути кпд насоса максимален)?