直流電動機(jī)直驅(qū)螺桿泵節(jié)能效果評價

馮華勝（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

近幾年隨著螺桿泵及相關(guān)配套技術(shù)的逐步完善，在油田上得到了大量的推廣應(yīng)用。目前普遍應(yīng)用的螺桿泵舉升方式存在地面驅(qū)動裝置傳動效率低、減速器損壞維修費(fèi)用高、傳動裝置存在安全隱患等問題，針對這種情況我們試驗(yàn)應(yīng)用了直流電動機(jī)直拖螺桿泵地面驅(qū)動技術(shù)。該地面驅(qū)動裝置在節(jié)能方面有著明顯效果，現(xiàn)場操作起來簡單方便，電動機(jī)在驅(qū)動程序的控制下工作，可以自動實(shí)現(xiàn)軟啟動、軟停機(jī)、電磁制動等功能。同時，安全性能也大大提高，直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置取消了地面驅(qū)動裝置的機(jī)械減速器和皮帶，減少了傳動裝置，降低了地面故障率。

直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置的應(yīng)用，進(jìn)一步提高驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性及滿足螺桿泵在不同的工況下對驅(qū)動系統(tǒng)要求，完善了螺桿泵井配套工藝技術(shù)，對螺桿泵的普及和發(fā)展具有重要意義。

1 直流電動機(jī)直拖螺桿泵地面驅(qū)動裝置系統(tǒng)組成

電動機(jī)直拖螺桿泵地面驅(qū)動系統(tǒng)由主要有由直流永磁無刷電動機(jī)機(jī)械驅(qū)動裝置和智能控制器兩部分組成。供電線路的交流電通過控制器轉(zhuǎn)化成直流電來驅(qū)動電動機(jī)，由電動機(jī)直接驅(qū)動光桿旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動井下泵工作，見圖1。

圖1 直拖螺桿泵裝置系統(tǒng)框圖

2 直驅(qū)裝置結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 直驅(qū)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

直拖螺桿泵地面驅(qū)動系統(tǒng)主要由光桿方卡、機(jī)械密封、驅(qū)動電動機(jī)、承重軸承箱和封井器等部分組成。光桿穿過電動機(jī)的空心軸，通過方卡子與電動機(jī)空心軸聯(lián)接。直流電動機(jī)的定子上產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用而使轉(zhuǎn)子帶動光桿轉(zhuǎn)動，把動力直接傳遞到井下抽油桿和螺桿泵來驅(qū)動螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)，見圖2。

圖2 直拖螺桿泵裝置示意圖

直驅(qū)裝置的驅(qū)動電動機(jī)采用永磁無刷直流電動機(jī)。這種電動機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上鑄有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器，作用是準(zhǔn)確地檢測出轉(zhuǎn)子的位置，并把位置信號發(fā)送給智能運(yùn)算、邏輯控制部分，將直流電壓依次加到電動機(jī)的各相上，電動機(jī)定子上產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢

永磁無刷直流電動機(jī)用電子換向裝置替代了普通直流電動機(jī)的機(jī)械換向器，解決了普通直流電動機(jī)的換向產(chǎn)生火花等問題，它具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，非常適合螺桿泵的負(fù)載特性，見圖3。

圖3 直拖螺桿泵驅(qū)動與普通驅(qū)動裝置

1）功率因數(shù)高。電動機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場是永磁的，不需要從電網(wǎng)吸收無功功率，所以功率因數(shù)接近1，節(jié)能效果顯著。

2）調(diào)速性能好。實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的無級調(diào)速，轉(zhuǎn)速可由0min-1到200min-1之間任意調(diào)整，比變頻調(diào)速方式更方便、穩(wěn)定。

3）運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好。直驅(qū)裝置的重心與光桿重合，對中性好，與電動機(jī)側(cè)置式裝置相比，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性更好。

4）電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大。啟動轉(zhuǎn)矩可為額定轉(zhuǎn)矩的3～4倍，可保證螺桿泵的順利啟動。

5）可靠的防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)。它由電磁牽制，過壓釋放和能耗制動三級組成。剎車為能耗制動方式，停機(jī)時光桿的彈性恢復(fù)力使光桿反轉(zhuǎn)，從而帶動電動機(jī)反轉(zhuǎn)，剎車電阻及時投入，消耗電動機(jī)反轉(zhuǎn)能量，從而達(dá)到抑制電動機(jī)反轉(zhuǎn)的目的，使系統(tǒng)運(yùn)行更安全可靠。

3 應(yīng)用效果評價

截止目前廠共更換螺桿泵直驅(qū)裝置63口井，其中由抽油機(jī)改為螺桿泵使用12口井，螺桿泵普通驅(qū)動更換為直驅(qū)驅(qū)動裝置51口井。通過統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，消耗功率由7.32kW下降到5.13kW，下降了2.19kW，平均噸液百米耗電由1.02kWh下降到0.75kWh，下降了0.27kWh，平均綜合節(jié)電率達(dá)26.5%，節(jié)能效果明顯。

3.1 節(jié)能效果評價

對兩種更換方式進(jìn)行了分別對比，通過對由抽油機(jī)改為螺桿泵12口井更換前后進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)對比來看，消耗功率由7.93kW下降到5.50kW，下降了2.43kW，噸液百米耗電由1.17kWh下降到0.72 kWh，下降了0.45kWh，平均綜合節(jié)電率達(dá)38.5%,應(yīng)用螺桿泵直驅(qū)裝置與抽油機(jī)舉升方式相比節(jié)能效果很顯著。

對普通螺桿泵更換直驅(qū)前后能耗數(shù)據(jù)對比，消耗功率由6.39kW下降到4.03kW，下降了2.36 kW，平均噸液百米耗電由0.97kWh下降到0.76 kWh，下降了0.21kWh，平均綜合節(jié)電率達(dá)21.6%,螺桿泵直驅(qū)裝置與普通驅(qū)動相比也有很好的節(jié)能效果。對普通螺桿泵驅(qū)動裝置更換為直驅(qū)裝置后，針對不同級別的泵型進(jìn)行詳細(xì)分類對比分析，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，小泵型、低產(chǎn)液井比大泵型、高產(chǎn)液井節(jié)電效果好，節(jié)電率相對較高，具體數(shù)據(jù)見表1。

3.2 螺桿泵直驅(qū)裝置綜合效益評價

對螺桿泵直驅(qū)裝置與普通螺桿泵及10型抽油機(jī)三種舉升設(shè)備進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，一次性投入費(fèi)用分別為：抽油機(jī)為38.41萬元，普通螺桿泵為23.28萬元，螺桿泵直驅(qū)裝置為25.18萬元，螺桿泵直驅(qū)裝置代替普通螺桿泵的驅(qū)動頭和變頻，增加地面設(shè)備投入費(fèi)用1.9萬元，一次性投概算見表2。

表1 螺桿泵地面直驅(qū)裝置與普通驅(qū)動生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

表2 一次性投資概算單位：萬元

通過統(tǒng)計(jì)近幾年的平均檢泵周期及檢泵頻率，計(jì)算出年平均投入的作業(yè)費(fèi)用和作業(yè)時更新的桿管數(shù)量，同時一次性投資的設(shè)備也可以按照壽命折算到平均年消耗，再加上耗電費(fèi)用和維修費(fèi)用即可得到年平均投入。抽油機(jī)使用壽命為15a，螺桿泵直驅(qū)裝置與普通地面部分的使用壽命都按8a，直驅(qū)裝置平均年增加地面投入0.2萬元；直驅(qū)裝置與普通螺桿泵地面驅(qū)動能耗對比節(jié)電率為21.6%，平均年節(jié)電1.87萬元；由于直驅(qū)裝置取消了普通地面驅(qū)動裝置的機(jī)械減速器和皮帶，維修費(fèi)用很低。通過對比三種舉升方式平均年消耗費(fèi)用，直驅(qū)裝置與抽油機(jī)相比平均年消耗費(fèi)用減少4.49萬元，與普通地面驅(qū)動裝置相比平均年消耗費(fèi)用減少2.02萬元，因此通過綜合效益對比，采用螺桿泵直驅(qū)裝置能夠取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論和認(rèn)識

1）直流電動機(jī)直拖螺桿泵地面驅(qū)動裝置電動機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場是永磁的，不需要從電網(wǎng)吸收無功功率，功率因數(shù)接近1，平均綜合節(jié)電率達(dá)到26.5%。

2）通過對三種舉升設(shè)備的投入費(fèi)用和日常維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)效果評價，螺桿泵直驅(qū)裝置平均年可節(jié)省費(fèi)用2萬元，因此采用該舉升設(shè)備能夠有效地降低油井采出成本。

3）直流電動機(jī)直拖螺桿泵地面驅(qū)動系統(tǒng)簡化了原機(jī)械式螺桿泵地面上的驅(qū)動部分，無需減速箱和皮帶傳動裝置，可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的無級調(diào)速，易于操作，管理方便，減少了地面驅(qū)動生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用，減輕了采油工人的勞動強(qiáng)度。

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[2]秦曾煌.電工學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1981:51-66.

[3]郭慶鼎,趙希梅.直流無刷電動機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2009:121-153.