螺桿泵節(jié)能型驅(qū)動配套技術研究

熊高明（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

螺桿泵節(jié)能型驅(qū)動配套技術研究

熊高明（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

針對油田螺桿泵常規(guī)地面驅(qū)動工藝存在的問題，開展了螺桿泵地面直接驅(qū)動工藝技術研究，在現(xiàn)場應用中取得了良好效果。螺桿泵地面直接驅(qū)動裝置改變了常規(guī)驅(qū)動頭使用減速器、皮帶等的傳動方式，實現(xiàn)地面驅(qū)動電動機直接驅(qū)動螺桿泵抽油桿運轉(zhuǎn)，井口結(jié)構(gòu)進一步簡化，顯著降低了設備能耗和日常生產(chǎn)維護費用，提高了設備運行安全性能。

螺桿泵 直接驅(qū)動 力矩電動機

螺桿泵采油舉升工藝技術[1]具有設備占地面積小、安裝方便、能耗低等技術優(yōu)勢，近年來在油田得到推廣和應用。目前常規(guī)螺桿泵地面驅(qū)動裝置均由井口采油樹、動力電動機、皮帶、減速器、密封盤根等部件組成。在近幾年的應用過程中存在一些問題：螺桿泵參數(shù)調(diào)整不方便；由于皮帶和減速器的使用增加了約20%的功率損耗；日常生產(chǎn)管理中減速器、皮帶等配件易損壞，生產(chǎn)維護費用較高；地面采用棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)裝置，當螺桿泵停止時桿、管承受較高的沖擊載荷，使用壽命縮短；螺桿泵轉(zhuǎn)速較高時，雖然采取防護措施，但還是出現(xiàn)皮帶輪飛出現(xiàn)象，存在安全隱患。螺桿泵地面直接驅(qū)動工藝技術實現(xiàn)力矩電動機直接驅(qū)動螺桿泵抽油桿運轉(zhuǎn)，改變常規(guī)驅(qū)動頭使用減速器和皮帶的傳動方式，解決了常規(guī)驅(qū)動頭存在的技術缺陷和安全隱患。

1 螺桿泵地面直接驅(qū)動技術

螺桿泵傳動光桿穿過驅(qū)動裝置電動機的空心軸，通過扭矩卡子連接直接傳遞電動機扭矩，電動機直接驅(qū)動螺桿泵光桿運轉(zhuǎn)。將螺桿泵井口的軸向承載軸承和機械密封裝置分別設計在電動機下端蓋和空心軸里，實現(xiàn)軸向承載、機械密封及動力電動機一體化設計，螺桿泵井全井軸向載荷作用在電動機下端蓋的軸向承載軸承上，卡瓦封井器在螺桿泵正常生產(chǎn)時打開，在修井維護井口設備時用于卸載和密封井口。同時在電動機控制系統(tǒng)中采用電磁制動技術，解決了螺桿泵抽油桿反轉(zhuǎn)制動問題。

該技術目前國內(nèi)只有少數(shù)廠家進行研究，但由于采用直接驅(qū)動方式后一方面無法縮小驅(qū)動電動機體積，不利于裝置安全運行；另一方面由于低速電動機溫升高問題未解決而不能廣泛推廣和應用。螺桿泵地面直接驅(qū)動工藝技術的實現(xiàn)必須研發(fā)適應于螺桿泵工作特性的低速力矩驅(qū)動電動機，并進一步縮小驅(qū)動電動機體積，降低電動機溫升，同時簡化井口結(jié)構(gòu)和應用可靠的制動技術，從而保證螺桿泵地面驅(qū)動設備的正常運行。

1.1 專用驅(qū)動電動機的研制

螺桿泵地面直接驅(qū)動裝置[2]所用電動機必須滿足井下螺桿泵的工作特性，如螺桿泵的高啟動力矩、頻繁的瞬時過載能力、低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的速度連續(xù)調(diào)節(jié)等。通過調(diào)研，永磁式直流力矩電動機屬于低速直流伺服電動機，通常在堵轉(zhuǎn)或低速情況下使用，其特點是堵轉(zhuǎn)力矩大，空載轉(zhuǎn)速低，不需要任何減速裝置可直接驅(qū)動負載，過載能力強，長期堵轉(zhuǎn)時能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩而不損壞。在此基礎上研發(fā)正弦波驅(qū)動方式的直流無刷力矩電動機，輸出特性基本符合這一要求。電動機驅(qū)動系統(tǒng)由三部分組成，即低速力矩電動機、傳感器和驅(qū)動器。傳感器負責提供轉(zhuǎn)子位置信號，驅(qū)動器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置向電動機提供最合適的驅(qū)動電流，力矩電動機則可以實現(xiàn)對負載的大力矩變速驅(qū)動（圖1）。

1.2 專用驅(qū)動器的研制

普通感應電動機加減速驅(qū)動方式利用的是電動機的自然外特性，即使負載轉(zhuǎn)矩很小，電動機的無功功率仍然很大，所以輕負載時效率也不高。直接驅(qū)動力矩電動機通過專用驅(qū)動器程序控制，應用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，電動機轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩自適應跟蹤調(diào)整。負載轉(zhuǎn)矩大，則電動機的電流大，系統(tǒng)的有功功率大；負載轉(zhuǎn)矩小，則電動機的電流自動減小，系統(tǒng)的有功功率也降低。由于電動機的功率因數(shù)高，無功功率很小，因此在輕載時井口的耗能和線路的耗能都很小，專用驅(qū)動裝置實現(xiàn)負載自動跟蹤調(diào)整，從而實現(xiàn)高效節(jié)能的目的。

另外，還具有通過驅(qū)動器程序指令輸入對驅(qū)動器進行設置，實現(xiàn)速度設置、實時速度調(diào)節(jié)、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、軟啟動、軟停機以及電磁力矩制動等功能。

1.3 柔性防反轉(zhuǎn)電磁制動技術的實現(xiàn)

柔性防反轉(zhuǎn)電磁制動技術分帶電制動和電網(wǎng)斷電制動兩種情況。

1.3.1 帶電制動

螺桿泵需要停機時，專用驅(qū)動器從速度控制狀態(tài)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩控制狀態(tài)，并且要執(zhí)行相應的一個停機程序，設定60s的時間內(nèi)電動機電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減少到零，把抽油桿變形產(chǎn)生的扭矩逐漸緩解和釋放，直到最后自然停下。如果停機程序完成而抽油桿變形產(chǎn)生的扭矩沒有釋放完畢產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，此時的電動機就變成發(fā)電機，產(chǎn)生泵生電壓，這時驅(qū)動器能夠及時檢測到電動機的電勢信號，如果反轉(zhuǎn)速度過高，則應快速接通制動電阻，實現(xiàn)抽油桿防反轉(zhuǎn)柔性電磁制動。

1.3.2 電網(wǎng)斷電制動

電網(wǎng)斷電后螺桿泵抽油桿將高速反轉(zhuǎn)，電動機將變成發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生較高的泵生電壓，此時電動機繞組間如果接入電阻，將產(chǎn)生一個反向電流，致使反轉(zhuǎn)狀態(tài)減緩，電流越高反轉(zhuǎn)速度就會越慢。利用這一原理即可實現(xiàn)斷電后的反轉(zhuǎn)制動（圖2）。

2 技術優(yōu)勢

2.1 節(jié)能效果顯著

交流感應電動機在額定負荷下電動機效率一般在0.7左右，而永磁力矩電動機在額定負荷下效率可達0.9以上。由于感應電動機功率因數(shù)較低，在負載相同的情況下，永磁力矩電動機的無功功率較小，交流異步電動機的無功功率較大。另外，感應電動機本身轉(zhuǎn)速比較高，用于螺桿泵這樣需要低轉(zhuǎn)速、大力矩驅(qū)動時只能加機械減速器和皮帶，而一般機械減速器的效率在8 5%左右，皮帶傳動效率為95%左右，將增加20%左右的功率損失。現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比表明，力矩電動機有功節(jié)電率25%以上。

2.2 設備運行平穩(wěn)性增強

直接驅(qū)動裝置由于取消機械減速器和皮帶，減少了傳動環(huán)節(jié)，降低了故障發(fā)生概率；同時操作系統(tǒng)實現(xiàn)了軟啟動和軟停機，減輕了傳動桿和泵的沖擊載荷；大力矩永磁變速電動機系統(tǒng)可以用3～4倍的額定轉(zhuǎn)矩啟動，在遇到大負載時可以確保螺桿泵正常運行。

2.3 現(xiàn)場操作簡單靈活

直接驅(qū)動裝置驅(qū)動器應用了程序控制，實現(xiàn)啟機、停機一鍵操作；螺桿泵在不停機的情況下，在驅(qū)動器上根據(jù)需要隨時調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，并且承載扭矩、泵轉(zhuǎn)速可在線直讀，不必進行螺桿泵扭矩測試，降低了勞動強度。

2.4 安全性能提高

常規(guī)的傳動方式由于電動機皮帶輪的高速運轉(zhuǎn)，井口維護工作較為危險。同時由于防反轉(zhuǎn)裝置的使用使螺桿泵停止時抽油桿儲存了部分彈性能量，作業(yè)施工時抽油桿彈性能釋放，易發(fā)生危險。直接驅(qū)動裝置井口抽油桿直接穿過電動機空心軸，不存在其他傳動環(huán)節(jié)，電動機最高轉(zhuǎn)速也只有300 r/m i n，安全性能明顯提高；停機時，采用柔性電磁制動方式防反轉(zhuǎn)，抽油桿彈性勢能完全釋放，施工作業(yè)無危險。

直接驅(qū)動技術實現(xiàn)的主要技術指標如下：

1）驅(qū)動電動機額定輸出扭矩為200～1 500N·m；啟動扭矩3.5倍額定扭矩；絕緣等級F級；室外連續(xù)運轉(zhuǎn)，適應環(huán)境溫度-40~40℃；

2）驅(qū)動器轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍0~200r/m i n；電動機輸出轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)自動監(jiān)測和顯示。電動機輸出功率與負載自動跟蹤調(diào)整；柔性反轉(zhuǎn)電磁制動時間30～60s。

3）軸向承載力250k N。

4）與常規(guī)螺桿泵驅(qū)動頭對比，綜合節(jié)電率達到28.2%。

3 現(xiàn)場應用及經(jīng)濟效益

截至2011年底大慶油田采油三廠共投入直接驅(qū)動裝置現(xiàn)場運行8 4口井，投產(chǎn)最早的1口井運行時間已1 352d。與常規(guī)驅(qū)動方式對比，8 4口井裝機功率由22.6k W下降到14.5 k W，降低35.8 4%；平均運行電流由22A下降到12A，降低45.45%；綜合節(jié)電率達到28.2%。

目前螺桿泵井平均日耗電為18 0.24 k W h，節(jié)電率按15%計算，單井年節(jié)電0.98 68×104k W h,電價按0.514 7元/k W h計算，獲經(jīng)濟效益5079元。

檢泵周期按600d，檢泵費用按10萬元/井計算，延長檢泵周期50d，獲經(jīng)濟效益8300元。

減速器價格為3萬元，使用壽命按3年計算，年減少設備維護費用1萬元。

年減少扭矩測試12井次，節(jié)約工時費用和車輛油料損耗等費用約0.32萬元/井次。

合計單井年獲經(jīng)濟效益2.6579萬元，單套設備成本按6萬元計算，2.26年收回投資成本。

4 認識

1）螺桿泵地面直接驅(qū)動裝置具有井口結(jié)構(gòu)簡化、操作方便、高效節(jié)能、維護成本低和運行安全等優(yōu)勢，適宜在油田推廣應用。

2）螺桿泵地面直接驅(qū)動裝置能夠滿足螺桿泵舉升工藝需要，常規(guī)減速驅(qū)動與直接驅(qū)動兩種方式的應用性能和能耗指標對比分析表明，后者具備取代前者的優(yōu)勢。

[1]韓修廷.螺桿泵采油原理及應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1 9 9 8:7 7.

[2]劉合.螺桿泵采油技術問答[M].北京：石油工業(yè)出版社，2 0 02:4 0.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.002

熊高明，2007年畢業(yè)于西南石油大學，學士學位，從事三次采油技術管理工作，E-m a i l：x g m 58 6@p e t r o c h i n a.c o m.c n，地址：黑龍江省大慶油田第三采油廠工程技術大隊三采室，163113。

2012-01-10）