熊高明（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

螺桿泵節(jié)能型驅(qū)動(dòng)配套技術(shù)研究

熊高明（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

針對(duì)油田螺桿泵常規(guī)地面驅(qū)動(dòng)工藝存在的問(wèn)題，開(kāi)展了螺桿泵地面直接驅(qū)動(dòng)工藝技術(shù)研究，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了良好效果。螺桿泵地面直接驅(qū)動(dòng)裝置改變了常規(guī)驅(qū)動(dòng)頭使用減速器、皮帶等的傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)地面驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵抽油桿運(yùn)轉(zhuǎn)，井口結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，顯著降低了設(shè)備能耗和日常生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用，提高了設(shè)備運(yùn)行安全性能。

螺桿泵 直接驅(qū)動(dòng) 力矩電動(dòng)機(jī)

螺桿泵采油舉升工藝技術(shù)[1]具有設(shè)備占地面積小、安裝方便、能耗低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在油田得到推廣和應(yīng)用。目前常規(guī)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置均由井口采油樹(shù)、動(dòng)力電動(dòng)機(jī)、皮帶、減速器、密封盤(pán)根等部件組成。在近幾年的應(yīng)用過(guò)程中存在一些問(wèn)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(hù)費(fèi)用較高；地面采用棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)裝置，當(dāng)螺桿泵停止時(shí)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(shí)，雖然采取防護(hù)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(dòng)工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵抽油桿運(yùn)轉(zhuǎn)，改變常規(guī)驅(qū)動(dòng)頭使用減速器和皮帶的傳動(dòng)方式，解決了常規(guī)驅(qū)動(dòng)頭存在的技術(shù)缺陷和安全隱患。

1 螺桿泵地面直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)

螺桿泵傳動(dòng)光桿穿過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置電動(dòng)機(jī)的空心軸，通過(guò)扭矩卡子連接直接傳遞電動(dòng)機(jī)扭矩，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵光桿運(yùn)轉(zhuǎn)。將螺桿泵井口的軸向承載軸承和機(jī)械密封裝置分別設(shè)計(jì)在電動(dòng)機(jī)下端蓋和空心軸里，實(shí)現(xiàn)軸向承載、機(jī)械密封及動(dòng)力電動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)，螺桿泵井全井軸向載荷作用在電動(dòng)機(jī)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(shí)打開(kāi)，在修井維護(hù)井口設(shè)備時(shí)用于卸載和密封井口。同時(shí)在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中采用電磁制動(dòng)技術(shù)，解決了螺桿泵抽油桿反轉(zhuǎn)制動(dòng)問(wèn)題。

該技術(shù)目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)廠家進(jìn)行研究，但由于采用直接驅(qū)動(dòng)方式后一方面無(wú)法縮小驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)體積，不利于裝置安全運(yùn)行；另一方面由于低速電動(dòng)機(jī)溫升高問(wèn)題未解決而不能廣泛推廣和應(yīng)用。螺桿泵地面直接驅(qū)動(dòng)工藝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須研發(fā)適應(yīng)于螺桿泵工作特性的低速力矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并進(jìn)一步縮小驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)體積，降低電動(dòng)機(jī)溫升，同時(shí)簡(jiǎn)化井口結(jié)構(gòu)和應(yīng)用可靠的制動(dòng)技術(shù)，從而保證螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.1 專用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的研制

螺桿泵地面直接驅(qū)動(dòng)裝置[2]所用電動(dòng)機(jī)必須滿足井下螺桿泵的工作特性，如螺桿泵的高啟動(dòng)力矩、頻繁的瞬時(shí)過(guò)載能力、低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的速度連續(xù)調(diào)節(jié)等。通過(guò)調(diào)研，永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)屬于低速直流伺服電動(dòng)機(jī)，通常在堵轉(zhuǎn)或低速情況下使用，其特點(diǎn)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(dòng)負(fù)載，過(guò)載能力強(qiáng)，長(zhǎng)期堵轉(zhuǎn)時(shí)能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩而不損壞。在此基礎(chǔ)上研發(fā)正弦波驅(qū)動(dòng)方式的直流無(wú)刷力矩電動(dòng)機(jī)，輸出特性基本符合這一要求。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由三部分組成，即低速力矩電動(dòng)機(jī)、傳感器和驅(qū)動(dòng)器。傳感器負(fù)責(zé)提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置向電動(dòng)機(jī)提供最合適的驅(qū)動(dòng)電流，力矩電動(dòng)機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的大力矩變速驅(qū)動(dòng)（圖1）。

1.2 專用驅(qū)動(dòng)器的研制

普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)加減速驅(qū)動(dòng)方式利用的是電動(dòng)機(jī)的自然外特性，即使負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率仍然很大，所以輕負(fù)載時(shí)效率也不高。直接驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)通過(guò)專用驅(qū)動(dòng)器程序控制，應(yīng)用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)跟蹤調(diào)整。負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，則電動(dòng)機(jī)的電流大，系統(tǒng)的有功功率大；負(fù)載轉(zhuǎn)矩小，則電動(dòng)機(jī)的電流自動(dòng)減小，系統(tǒng)的有功功率也降低。由于電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)高，無(wú)功功率很小，因此在輕載時(shí)井口的耗能和線路的耗能都很小，專用驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)負(fù)載自動(dòng)跟蹤調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目的。

另外，還具有通過(guò)驅(qū)動(dòng)器程序指令輸入對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)速度設(shè)置、實(shí)時(shí)速度調(diào)節(jié)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、軟啟動(dòng)、軟停機(jī)以及電磁力矩制動(dòng)等功能。

1.3 柔性防反轉(zhuǎn)電磁制動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

柔性防反轉(zhuǎn)電磁制動(dòng)技術(shù)分帶電制動(dòng)和電網(wǎng)斷電制動(dòng)兩種情況。

1.3.1 帶電制動(dòng)

螺桿泵需要停機(jī)時(shí)，專用驅(qū)動(dòng)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(yīng)的一個(gè)停機(jī)程序，設(shè)定60s的時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)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(jī)程序完成而抽油桿變形產(chǎn)生的扭矩沒(méi)有釋放完畢產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)就變成發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生泵生電壓，這時(shí)驅(qū)動(dòng)器能夠及時(shí)檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)信號(hào)，如果反轉(zhuǎn)速度過(guò)高，則應(yīng)快速接通制動(dòng)電阻，實(shí)現(xiàn)抽油桿防反轉(zhuǎn)柔性電磁制動(dòng)。

1.3.2 電網(wǎng)斷電制動(dòng)

電網(wǎng)斷電后螺桿泵抽油桿將高速反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)將變成發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生較高的泵生電壓，此時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組間如果接入電阻，將產(chǎn)生一個(gè)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(huì)越慢。利用這一原理即可實(shí)現(xiàn)斷電后的反轉(zhuǎn)制動(dòng)（圖2）。

2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 節(jié)能效果顯著

交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)荷下電動(dòng)機(jī)效率一般在0.7左右，而永磁力矩電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)荷下效率可達(dá)0.9以上。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)較低，在負(fù)載相同的情況下，永磁力矩電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率較小，交流異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率較大。另外，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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(dòng)時(shí)只能加機(jī)械減速器和皮帶，而一般機(jī)械減速器的效率在8 5%左右，皮帶傳動(dòng)效率為95%左右，將增加20%左右的功率損失?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，力矩電動(dòng)機(jī)有功節(jié)電率25%以上。

2.2 設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性增強(qiáng)

直接驅(qū)動(dòng)裝置由于取消機(jī)械減速器和皮帶，減少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)，降低了故障發(fā)生概率；同時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)和軟停機(jī)，減輕了傳動(dòng)桿和泵的沖擊載荷；大力矩永磁變速電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以用3～4倍的額定轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，在遇到大負(fù)載時(shí)可以確保螺桿泵正常運(yùn)行。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單靈活

直接驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用了程序控制，實(shí)現(xiàn)啟機(jī)、停機(jī)一鍵操作；螺桿泵在不停機(jī)的情況下，在驅(qū)動(dòng)器上根據(jù)需要隨時(shí)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(jìn)行螺桿泵扭矩測(cè)試，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.4 安全性能提高

常規(guī)的傳動(dòng)方式由于電動(dòng)機(jī)皮帶輪的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，井口維護(hù)工作較為危險(xiǎn)。同時(shí)由于防反轉(zhuǎn)裝置的使用使螺桿泵停止時(shí)抽油桿儲(chǔ)存了部分彈性能量，作業(yè)施工時(shí)抽油桿彈性能釋放，易發(fā)生危險(xiǎn)。直接驅(qū)動(dòng)裝置井口抽油桿直接穿過(guò)電動(dòng)機(jī)空心軸，不存在其他傳動(dòng)環(huán)節(jié)，電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速也只有300 r/m i n，安全性能明顯提高；停機(jī)時(shí)，采用柔性電磁制動(dòng)方式防反轉(zhuǎn)，抽油桿彈性勢(shì)能完全釋放，施工作業(yè)無(wú)危險(xiǎn)。

直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定輸出扭矩為200～1 500N·m；啟動(dòng)扭矩3.5倍額定扭矩；絕緣等級(jí)F級(jí)；室外連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，適應(yīng)環(huán)境溫度-40~40℃；

2）驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍0~200r/m i n；電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和顯示。電動(dòng)機(jī)輸出功率與負(fù)載自動(dòng)跟蹤調(diào)整；柔性反轉(zhuǎn)電磁制動(dòng)時(shí)間30～60s。

3）軸向承載力250k N。

4）與常規(guī)螺桿泵驅(qū)動(dòng)頭對(duì)比，綜合節(jié)電率達(dá)到28.2%。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益

截至2011年底大慶油田采油三廠共投入直接驅(qū)動(dòng)裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行8 4口井，投產(chǎn)最早的1口井運(yùn)行時(shí)間已1 352d。與常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比，8 4口井裝機(jī)功率由22.6k W下降到14.5 k W，降低35.8 4%；平均運(yùn)行電流由22A下降到12A，降低45.45%；綜合節(jié)電率達(dá)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(jì)算，單井年節(jié)電0.98 68×104k W h,電價(jià)按0.514 7元/k W h計(jì)算，獲經(jīng)濟(jì)效益5079元。

檢泵周期按600d，檢泵費(fèi)用按10萬(wàn)元/井計(jì)算，延長(zhǎng)檢泵周期50d，獲經(jīng)濟(jì)效益8300元。

減速器價(jià)格為3萬(wàn)元，使用壽命按3年計(jì)算，年減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用1萬(wàn)元。

年減少扭矩測(cè)試12井次，節(jié)約工時(shí)費(fèi)用和車輛油料損耗等費(fèi)用約0.32萬(wàn)元/井次。

合計(jì)單井年獲經(jīng)濟(jì)效益2.6579萬(wàn)元，單套設(shè)備成本按6萬(wàn)元計(jì)算，2.26年收回投資成本。

4 認(rèn)識(shí)

1）螺桿泵地面直接驅(qū)動(dòng)裝置具有井口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、操作方便、高效節(jié)能、維護(hù)成本低和運(yùn)行安全等優(yōu)勢(shì)，適宜在油田推廣應(yīng)用。

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

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

[2]劉合.螺桿泵采油技術(shù)問(wèn)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(xué)，學(xué)士學(xué)位，從事三次采油技術(shù)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(shù)大隊(duì)三采室，163113。

2012-01-10）