螺杆泵节能型驱动配套技术研究

2012-11-16熊高明大庆油田有限责任公司第三采油厂

石油石化节能 2012年4期

熊高明（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

螺杆泵节能型驱动配套技术研究

熊高明（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

针对油田螺杆泵常规地面驱动工艺存在的问题，开展了螺杆泵地面直接驱动工艺技术研究，在现场应用中取得了良好效果。螺杆泵地面直接驱动装置改变了常规驱动头使用减速器、皮带等的传动方式，实现地面驱动电动机直接驱动螺杆泵抽油杆运转，井口结构进一步简化，显著降低了设备能耗和日常生产维护费用，提高了设备运行安全性能。

螺杆泵直接驱动力矩电动机

螺杆泵采油举升工艺技术[1]具有设备占地面积小、安装方便、能耗低等技术优势，近年来在油田得到推广和应用。目前常规螺杆泵地面驱动装置均由井口采油树、动力电动机、皮带、减速器、密封盘根等部件组成。在近几年的应用过程中存在一些问题：螺杆泵参数调整不方便；由于皮带和减速器的使用增加了约20%的功率损耗；日常生产管理中减速器、皮带等配件易损坏，生产维护费用较高；地面采用棘轮棘爪防反转装置，当螺杆泵停止时杆、管承受较高的冲击载荷，使用寿命缩短；螺杆泵转速较高时，虽然采取防护措施，但还是出现皮带轮飞出现象，存在安全隐患。螺杆泵地面直接驱动工艺技术实现力矩电动机直接驱动螺杆泵抽油杆运转，改变常规驱动头使用减速器和皮带的传动方式，解决了常规驱动头存在的技术缺陷和安全隐患。

1 螺杆泵地面直接驱动技术

螺杆泵传动光杆穿过驱动装置电动机的空心轴，通过扭矩卡子连接直接传递电动机扭矩，电动机直接驱动螺杆泵光杆运转。将螺杆泵井口的轴向承载轴承和机械密封装置分别设计在电动机下端盖和空心轴里，实现轴向承载、机械密封及动力电动机一体化设计，螺杆泵井全井轴向载荷作用在电动机下端盖的轴向承载轴承上，卡瓦封井器在螺杆泵正常生产时打开，在修井维护井口设备时用于卸载和密封井口。同时在电动机控制系统中采用电磁制动技术，解决了螺杆泵抽油杆反转制动问题。

该技术目前国内只有少数厂家进行研究，但由于采用直接驱动方式后一方面无法缩小驱动电动机体积，不利于装置安全运行；另一方面由于低速电动机温升高问题未解决而不能广泛推广和应用。螺杆泵地面直接驱动工艺技术的实现必须研发适应于螺杆泵工作特性的低速力矩驱动电动机，并进一步缩小驱动电动机体积，降低电动机温升，同时简化井口结构和应用可靠的制动技术，从而保证螺杆泵地面驱动设备的正常运行。

1.1 专用驱动电动机的研制

螺杆泵地面直接驱动装置[2]所用电动机必须满足井下螺杆泵的工作特性，如螺杆泵的高启动力矩、频繁的瞬时过载能力、低转速范围内的速度连续调节等。通过调研，永磁式直流力矩电动机属于低速直流伺服电动机，通常在堵转或低速情况下使用，其特点是堵转力矩大，空载转速低，不需要任何减速装置可直接驱动负载，过载能力强，长期堵转时能产生足够大的转矩而不损坏。在此基础上研发正弦波驱动方式的直流无刷力矩电动机，输出特性基本符合这一要求。电动机驱动系统由三部分组成，即低速力矩电动机、传感器和驱动器。传感器负责提供转子位置信号，驱动器根据转子位置向电动机提供最合适的驱动电流，力矩电动机则可以实现对负载的大力矩变速驱动（图1）。

1.2 专用驱动器的研制

普通感应电动机加减速驱动方式利用的是电动机的自然外特性，即使负载转矩很小，电动机的无功功率仍然很大，所以轻负载时效率也不高。直接驱动力矩电动机通过专用驱动器程序控制，应用转速闭环控制，电动机转矩与负载转矩自适应跟踪调整。负载转矩大，则电动机的电流大，系统的有功功率大；负载转矩小，则电动机的电流自动减小，系统的有功功率也降低。由于电动机的功率因数高，无功功率很小，因此在轻载时井口的耗能和线路的耗能都很小，专用驱动装置实现负载自动跟踪调整，从而实现高效节能的目的。

另外，还具有通过驱动器程序指令输入对驱动器进行设置，实现速度设置、实时速度调节、驱动转矩调节、软启动、软停机以及电磁力矩制动等功能。

1.3 柔性防反转电磁制动技术的实现

柔性防反转电磁制动技术分带电制动和电网断电制动两种情况。

1.3.1 带电制动

螺杆泵需要停机时，专用驱动器从速度控制状态变为转矩控制状态，并且要执行相应的一个停机程序，设定60s的时间内电动机电磁转矩逐渐减少到零，把抽油杆变形产生的扭矩逐渐缓解和释放，直到最后自然停下。如果停机程序完成而抽油杆变形产生的扭矩没有释放完毕产生反转，此时的电动机就变成发电机，产生泵生电压，这时驱动器能够及时检测到电动机的电势信号，如果反转速度过高，则应快速接通制动电阻，实现抽油杆防反转柔性电磁制动。

1.3.2 电网断电制动

电网断电后螺杆泵抽油杆将高速反转，电动机将变成发电状态，产生较高的泵生电压，此时电动机绕组间如果接入电阻，将产生一个反向电流，致使反转状态减缓，电流越高反转速度就会越慢。利用这一原理即可实现断电后的反转制动（图2）。

2 技术优势

2.1 节能效果显著

交流感应电动机在额定负荷下电动机效率一般在0.7左右，而永磁力矩电动机在额定负荷下效率可达0.9以上。由于感应电动机功率因数较低，在负载相同的情况下，永磁力矩电动机的无功功率较小，交流异步电动机的无功功率较大。另外，感应电动机本身转速比较高，用于螺杆泵这样需要低转速、大力矩驱动时只能加机械减速器和皮带，而一般机械减速器的效率在8 5%左右，皮带传动效率为95%左右，将增加20%左右的功率损失。现场试验数据对比表明，力矩电动机有功节电率25%以上。

2.2 设备运行平稳性增强

直接驱动装置由于取消机械减速器和皮带，减少了传动环节，降低了故障发生概率；同时操作系统实现了软启动和软停机，减轻了传动杆和泵的冲击载荷；大力矩永磁变速电动机系统可以用3～4倍的额定转矩启动，在遇到大负载时可以确保螺杆泵正常运行。

2.3 现场操作简单灵活

直接驱动装置驱动器应用了程序控制，实现启机、停机一键操作；螺杆泵在不停机的情况下，在驱动器上根据需要随时调节泵转速，并且承载扭矩、泵转速可在线直读，不必进行螺杆泵扭矩测试，降低了劳动强度。

2.4 安全性能提高

常规的传动方式由于电动机皮带轮的高速运转，井口维护工作较为危险。同时由于防反转装置的使用使螺杆泵停止时抽油杆储存了部分弹性能量，作业施工时抽油杆弹性能释放，易发生危险。直接驱动装置井口抽油杆直接穿过电动机空心轴，不存在其他传动环节，电动机最高转速也只有300 r/m i n，安全性能明显提高；停机时，采用柔性电磁制动方式防反转，抽油杆弹性势能完全释放，施工作业无危险。

直接驱动技术实现的主要技术指标如下：

1）驱动电动机额定输出扭矩为200～1 500N·m；启动扭矩3.5倍额定扭矩；绝缘等级F级；室外连续运转，适应环境温度-40~40℃；

2）驱动器转速调整范围0~200r/m i n；电动机输出转速、扭矩等参数自动监测和显示。电动机输出功率与负载自动跟踪调整；柔性反转电磁制动时间30～60s。

3）轴向承载力250k N。

4）与常规螺杆泵驱动头对比，综合节电率达到28.2%。