閆寒 張麗(大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠)
目前,油田上的地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)采用三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。應(yīng)用三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的螺桿泵采油系統(tǒng),由于存在皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)及齒輪減速系統(tǒng),不但維護(hù)費(fèi)用較高,而且傳動(dòng)效率較低。應(yīng)用永磁電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的螺桿泵采油系統(tǒng)采用永磁體鐵芯,長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)退磁,發(fā)熱量大;且隨著永磁材料價(jià)格攀升,制造成本大幅上升,該系統(tǒng)的性價(jià)比隨之降低[1-4]。
針對(duì)上述問題,提出了研究開關(guān)磁阻直驅(qū)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)思路,優(yōu)選高效成熟的電動(dòng)機(jī)技術(shù);它具有傳動(dòng)效率高,節(jié)能效果好,沒有永磁體,沒有退磁風(fēng)險(xiǎn),發(fā)熱低等優(yōu)勢(shì)。
螺桿泵開關(guān)磁阻地面驅(qū)動(dòng)裝置如圖1 所示。
1)立式開關(guān)磁阻直驅(qū)電動(dòng)機(jī):采用常規(guī)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)技術(shù),技術(shù)成熟且電動(dòng)機(jī)效率高??紤]到直驅(qū)電動(dòng)機(jī)軸向承載軸承的冷卻問題,設(shè)計(jì)了1個(gè)2.5 kg 左右的冷卻油箱對(duì)承載軸承進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。將該電動(dòng)機(jī)立式直接安裝于井口,減少了故障點(diǎn),減少了減速系統(tǒng)過程損耗,運(yùn)行平穩(wěn)。
2)延時(shí)軟啟動(dòng)、停機(jī)防抽空變頻控制器:利用變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)立式開關(guān)磁阻直驅(qū)電動(dòng)機(jī)延時(shí)軟啟動(dòng),軟停機(jī);防抽空控制功能配備電參數(shù)分析裝置,根據(jù)功率、扭矩變化的大小自動(dòng)反映螺桿泵井工作狀態(tài),在供液嚴(yán)重不足的情況下及時(shí)調(diào)整工作參數(shù),實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。
圖1 螺桿泵開關(guān)磁阻地面驅(qū)動(dòng)裝置示意圖
3)螺桿泵抽油桿電氣反轉(zhuǎn)控制功能:當(dāng)手動(dòng)停機(jī)或智能控制器對(duì)電動(dòng)機(jī)施加保護(hù)停機(jī)時(shí)電氣反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)開始工作;電磁牽制防反轉(zhuǎn)控制軟件不斷對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行檢測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)立即對(duì)反轉(zhuǎn)的速度及角度進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算制動(dòng)需要的強(qiáng)度,然后施加制動(dòng)力。隨著電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)速度的不斷降低,制動(dòng)力也不斷降低,直至停機(jī)。
4)研發(fā)的開關(guān)磁阻地面直驅(qū)電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下所述:
◇電動(dòng)機(jī)繞組相數(shù)3 相,額定功率22 kW,額定轉(zhuǎn)速200 r/min;
◇適應(yīng)的環(huán)境溫度-30~30 ℃,防爆等級(jí)F級(jí),變頻調(diào)速范圍在50~200 r/min 之間;
◇抽油桿反轉(zhuǎn)電磁制動(dòng),制動(dòng)時(shí)間20~200 s可調(diào);
◇軸向承載軸承額定載荷25 t。
為了對(duì)比開關(guān)磁阻螺桿泵直驅(qū)驅(qū)動(dòng)與目前油田廣泛采用的其他螺桿泵驅(qū)動(dòng)設(shè)備性能上的不同[5-7],按輸入-輸出法選取了3 種設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)在額定電壓和額定轉(zhuǎn)速下,按軸向負(fù)荷100%,額定扭矩25%、50%、75%、100%、125%加載,測(cè)算裝置的傳動(dòng)效率。
如圖2 所示,當(dāng)扭矩范圍在200~800 Nm 之間時(shí),開關(guān)磁阻直驅(qū)傳動(dòng)效率為74%~78.8%,異步直驅(qū)傳動(dòng)效率為45%~49.4%,普驅(qū)為38%~57%。
圖2 60 r/min 條件下的扭矩-傳動(dòng)效率曲線
如圖3 所示,當(dāng)扭矩范圍在100~800 Nm 之間時(shí),開關(guān)磁阻直驅(qū)傳動(dòng)效率為70%~81.79%,異步直驅(qū)傳動(dòng)效率為46%~58.5%,普驅(qū)為28%~60%。
如圖4 所示,當(dāng)扭矩范圍在200~800 Nm 之間時(shí),開關(guān)磁阻直驅(qū)傳動(dòng)效率為76%~85%,異步直驅(qū)傳動(dòng)效率為57%~67%,普驅(qū)為43%~60%。
圖3 90 r/min 條件下的扭矩-傳動(dòng)效率曲線
圖4 150 r/min 條件下的扭矩-傳動(dòng)效率曲線
2014年3月,4 臺(tái)樣機(jī)投入了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。經(jīng)過近1年的運(yùn)行檢驗(yàn)表明,樣機(jī)運(yùn)行噪音偏大,但整機(jī)震動(dòng)小平穩(wěn)可靠,啟停機(jī)沖擊小。抽油桿防反轉(zhuǎn)制動(dòng)器滿足了螺桿泵停機(jī)后扭矩的平穩(wěn)釋放。年內(nèi)不需維護(hù),節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。
該裝置與永磁直驅(qū)裝置相似,與普通驅(qū)動(dòng)相比減少了減速中間環(huán)節(jié),減小了能量損失,有效降低裝機(jī)功率。同時(shí)還分別與常規(guī)地面驅(qū)動(dòng)裝置及永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行了前后對(duì)比測(cè)試,與常規(guī)配置電動(dòng)機(jī)相比,節(jié)電15%以上;與永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)對(duì)比,耗電量基本相同。4 口井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果見表1。
1)螺桿泵開關(guān)磁阻地面直驅(qū)裝置傳動(dòng)效率高,節(jié)能效果好;電動(dòng)機(jī)沒有永磁體,沒有退磁風(fēng)險(xiǎn);價(jià)格穩(wěn)定。
表1 螺桿泵開關(guān)磁阻地面直驅(qū)裝置應(yīng)用效果
2)開關(guān)磁阻地面直驅(qū)電動(dòng)機(jī)為3 相低速開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)力矩大,能很好地滿足螺桿泵啟動(dòng)高扭矩的特性要求?;陂_關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、變頻控制成熟技術(shù)開發(fā)的螺桿泵開關(guān)磁阻地面直驅(qū)裝置可靠性高,運(yùn)行穩(wěn)定,震動(dòng)低。
3)能耗與傳統(tǒng)永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)基本相同,能解決退磁問題,可應(yīng)用于普驅(qū)轉(zhuǎn)直驅(qū)的節(jié)能工藝實(shí)施。
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