陳曉軍,王興燕

(北京石油機(jī)械廠,北京100083)

ZLBQ55型直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

陳曉軍,王興燕

(北京石油機(jī)械廠,北京100083)

直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置是國內(nèi)新出現(xiàn)的一種螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置,設(shè)計(jì)的ZLBQ55型直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置與常規(guī)地面驅(qū)動(dòng)裝置異步電機(jī)+減速機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式不同,是利用低速、大扭矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油桿柱。介紹了該裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和整機(jī)試驗(yàn)。

螺桿泵;直驅(qū);設(shè)計(jì)

常規(guī)電驅(qū)動(dòng)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置采用異步電機(jī)作為原動(dòng)機(jī),通過皮帶輪和錐齒輪減速機(jī)構(gòu)減速后驅(qū)動(dòng)抽油桿柱。這種驅(qū)動(dòng)裝置雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械效率高、占地面積小等優(yōu)勢(shì),但在實(shí)際使用中仍存在一些問題,如中間減速機(jī)構(gòu)機(jī)械損失較高,最大可達(dá)15%;電機(jī)偏置使驅(qū)動(dòng)裝置重心偏離井口軸線,致使光桿偏磨、盤根盒密封泄漏量大;系統(tǒng)零部件多,維護(hù)困難等。使用低速大扭矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油桿柱,可解決這些問題[1]。研發(fā)的直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置(以下簡(jiǎn)稱直驅(qū)裝置)用永磁同步電機(jī)作為低速電機(jī),采用交流變頻調(diào)速方式,利用永磁電機(jī)反轉(zhuǎn)即發(fā)電機(jī)原理和能耗電阻消耗掉系統(tǒng)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能,實(shí)現(xiàn)低速大扭矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油桿柱。

1 基本參數(shù)

北京石油機(jī)械廠(以下簡(jiǎn)稱北石廠)采油螺桿泵系列產(chǎn)品主要出口到蘇丹、埃及、印尼等國家和地區(qū)。蘇丹地區(qū)的油井具有產(chǎn)液量高、含砂量高、原油黏度大等特點(diǎn),因此普遍使用較大功率的螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置,其中以55 kW驅(qū)動(dòng)裝置最為常用。為滿足該地區(qū)使用需求,直驅(qū)裝置設(shè)計(jì)基本參數(shù)為電機(jī)功率55 kW,額定轉(zhuǎn)速250 r/min,額定載荷150 kN。

2 直驅(qū)電機(jī)及控制器[2]

直驅(qū)裝置的關(guān)鍵是直驅(qū)電機(jī)。在設(shè)計(jì)之初考慮使用空心軸異步電機(jī),通過增加電機(jī)極數(shù)、降低電機(jī)頻率的方法來降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)仍為三相異步電機(jī),可以通用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,技術(shù)成熟可靠。缺點(diǎn)是體積龐大,價(jià)格昂貴。永磁同步電機(jī)是通過增加定子極數(shù)來降低額定頻率,使用永磁體替代轉(zhuǎn)子線圈的方法可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的低速運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)體積相對(duì)較小,電機(jī)采用永磁體,轉(zhuǎn)子和定子同步運(yùn)轉(zhuǎn),功率因數(shù)高,在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均為高效區(qū),更加節(jié)能環(huán)保。缺點(diǎn)是電機(jī)永磁體在長期高溫或震動(dòng)環(huán)境下工作容易退磁,電機(jī)一次性投入較高,必須采用專用變頻器控制才能啟動(dòng)電機(jī)。

國內(nèi)已有直驅(qū)裝置采用永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)分為永磁無刷直流電機(jī)和永磁交流同步電機(jī)2種。永磁無刷直流電機(jī)特性類似于常規(guī)的直流電機(jī),機(jī)械特性曲線為斜線,隨著轉(zhuǎn)速的增加輸出扭矩減小,采用專用的方波控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)調(diào)速方便,控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是功率不易做大,低速運(yùn)轉(zhuǎn)磁場(chǎng)有脈動(dòng)。永磁交流同步電動(dòng)機(jī)特性類似于常規(guī)的異步變頻電機(jī),機(jī)械特性曲線為直線,在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能保持恒扭矩輸出,采用專用的變頻器進(jìn)行控制。優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)成熟可靠,電機(jī)頻率與速度同步;缺點(diǎn)是控制器成本較高。

綜合考慮以上因素,直驅(qū)裝置電機(jī)采用永磁交流同步電機(jī)。為提高系統(tǒng)可靠性,電機(jī)與裝置的其他部分相對(duì)獨(dú)立,并針對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)提出了防爆要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)

螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置在工作中不僅要傳遞扭矩給抽油桿柱,還要承受抽油桿柱和舉升液體的重力。國內(nèi)直驅(qū)裝置通常采用電機(jī)內(nèi)部軸承直接承受軸向載荷和潤滑脂潤滑軸承方式,該設(shè)計(jì)的弊端是使直驅(qū)電機(jī)成為主承載件,主軸承采用脂潤滑方式冷卻效果差,增大了故障發(fā)生的幾率。為此,設(shè)計(jì)了傳動(dòng)空心軸,在電機(jī)軸與光桿之間傳遞扭矩并承受系統(tǒng)的軸向載荷,并最終作用在箱體內(nèi)的主軸承上,而電機(jī)只傳遞扭矩載荷。直驅(qū)裝置主要由低速電機(jī)、傳動(dòng)空心軸、主軸承、軸承箱、底座法蘭和密封盒等組成,如圖1。

圖1 直驅(qū)電機(jī)式驅(qū)動(dòng)裝置

3.2 工作原理

低速電機(jī)通過可靠的連接方式與傳動(dòng)空心軸連接,傳動(dòng)空心軸通過扭矩卡瓦與光桿連接。系統(tǒng)工作時(shí),電機(jī)將扭矩傳遞給傳動(dòng)空心軸,傳動(dòng)空心軸再將扭矩通過扭矩卡瓦傳遞給光桿,帶動(dòng)井下桿柱旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)空心軸的主軸承承受系統(tǒng)軸向載荷,主軸承采用油潤滑,提高了軸承的散熱效果,延長了使用壽命。電機(jī)只傳遞扭矩載荷,減少了電機(jī)的故障幾率。

3.3 傳動(dòng)空心軸強(qiáng)度計(jì)算

傳動(dòng)空心軸是直驅(qū)裝置的主承載件,不僅要傳遞電機(jī)輸出的扭矩,還要承受井下桿柱及采出液產(chǎn)生的軸向載荷,受力情況較復(fù)雜。用ANSYS有限元軟件對(duì)傳動(dòng)空心軸進(jìn)行靜載荷作用下的應(yīng)力分析[3]和校核強(qiáng)度。

3.3.1 加載情況

上端四方處除軸向不施加約束外,其余方向都施加位移約束;主軸承作用面施加軸向位移約束;與電機(jī)連接處施加扭矩3 150 N·m;與扭矩卡瓦連接處施加軸向壓力150 kN。加載情況如圖2。

圖2 傳動(dòng)空心軸加載情況

3.3.2 結(jié)果分析

傳動(dòng)空心軸在靜載荷作用下的Mises應(yīng)力分布如圖3。

圖3 傳動(dòng)空心軸Mises應(yīng)力分布

由圖3可見,傳動(dòng)空心軸的最大應(yīng)力為179 MPa,位于四方根部附近,其值遠(yuǎn)低于材料的屈服極限[4],所以傳動(dòng)空心軸的設(shè)計(jì)是安全可靠的。

4 控制系統(tǒng)

直驅(qū)裝置采用的永磁交流同步電機(jī)必須使用專用變頻柜進(jìn)行控制。變頻柜內(nèi)的變頻器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車和平滑調(diào)速,并對(duì)電器的過壓、過流、短路等故障具有保護(hù)功能;變頻柜的外部電路能實(shí)現(xiàn)對(duì)井口壓力的開關(guān)和電機(jī)內(nèi)置PTC電阻的監(jiān)控。在變頻柜內(nèi)內(nèi)置制動(dòng)電阻,當(dāng)系統(tǒng)停機(jī)時(shí),通過外部電路的常閉交流接觸器使電機(jī)立即切換到制動(dòng)電阻回路中,將電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能在制動(dòng)電阻上消耗掉。

5 試驗(yàn)情況

為保證直驅(qū)裝置各部件達(dá)到設(shè)計(jì)要求,對(duì)直驅(qū)裝置及變頻柜進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。

a) 對(duì)電機(jī)性能及變頻柜功能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。直驅(qū)電機(jī)最大負(fù)載加至3 003 N·m,最大轉(zhuǎn)速為300 r/min,電機(jī)表現(xiàn)正常。

b) 控制裝置在輸入電壓低于額定值10%和高于額定值20%的情況下能正常工作。

c) 為驗(yàn)證變頻柜的能耗制動(dòng)功能,在電機(jī)軸端連接了飛輪裝置,通過電機(jī)停機(jī)時(shí)的慣性旋轉(zhuǎn)來模擬實(shí)際工作中井下抽油桿柱所儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能。試驗(yàn)表明,飛輪旋轉(zhuǎn)能量能在數(shù)秒內(nèi)通過制動(dòng)電阻消耗完,滿足設(shè)計(jì)要求。

d) 對(duì)直驅(qū)裝置的發(fā)熱、噪聲、盤根泄漏量、傳動(dòng)空心軸徑向跳動(dòng)等項(xiàng)目進(jìn)行了檢驗(yàn),該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大降低了系統(tǒng)的噪聲和盤根盒泄漏量。

6 結(jié)論

1) ZLBQ55型直驅(qū)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,整體技術(shù)水平較高。

2) 采用的永磁交流同步電機(jī)及其控制裝置技術(shù)成熟,系統(tǒng)效率高。

3) 直驅(qū)裝置占地面積小,維護(hù)件少,系統(tǒng)對(duì)稱無偏置,能提高盤根的密封性,減少光桿偏磨的效果明顯。

4) 制動(dòng)方式設(shè)計(jì)巧妙,安全可靠。

[1] 孫 雙,鄧 輝,馬永剛,等.新型螺桿泵直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置整機(jī)的振動(dòng)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(7):42-45.

[2] 李鐘明.稀土永磁電機(jī)[M].北京:國防工業(yè)出版社, 1999.

[3] 王勖成,邵 敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,1999:84-88.

[4] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1987: 308.

Design of ZLBQ55 Direct Driven Unit for Progressive Cavity Pump

CHEN Xiao-jun,WANG Xing-yan
(Beijing Petroleum Machinery Factory,Bejing100083,China)

Directly driven unit of progressive cavity pump is an advanced driven unit developed in recently years.The unit is different from the original driven unit that it utilizes the low speed and high torque electric motor to drive sucker rod directly.A ZLBQ55 this unit was successfully developed based on the abundant experience at the design and manufacturing of the unit for progres-sive cavity pump.The developed course of the unit and details in the production is introduced.

progressive cavity pump;directly driven unit;design

1001-3482(2010)04-0068-03

TE921.1

A

2009-10-30

陳曉軍(1979-),男,黑龍江望奎人,工程師,2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院,主要從事采油機(jī)械設(shè)計(jì)工作。