姜民政，李 楊，王 慧，邢宗濤，常瑞清

直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)試驗(yàn)研究

姜民政1，李 楊1，王 慧2，邢宗濤3，常瑞清4

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.天津渤油船舶工程有限公司，天津300457；3.大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163411；4.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453）①

直線電機(jī)能夠產(chǎn)生直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將其與抽油泵相結(jié)合形成一種新型無桿采油設(shè)備，徹底取消抽油桿及地面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，從而大幅降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)效率。通過試驗(yàn)研究得到直線電機(jī)抽油泵特性及其變化規(guī)律，具有理論及工程實(shí)際意義。

直線電機(jī)；抽油泵；試驗(yàn)研究

使用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油泵，可省去中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，降低能耗。從提出設(shè)想至今，雖然驅(qū)動(dòng)采油設(shè)備的方案不同，但是仍然有很多問題沒有解決［1－5］。當(dāng)前，大多數(shù)研究人員對直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)采油方案的設(shè)計(jì)與改進(jìn)僅依賴于現(xiàn)場試驗(yàn)，缺少必要的理論支撐。本文建立直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)臺，通過試驗(yàn)研究，可以發(fā)現(xiàn)直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在的問題，得出其性能影響因素和變化規(guī)律。研究成果將為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)其合理的運(yùn)行控制提供理論依據(jù)，為節(jié)能型采油方案的確定提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)是將圓筒型永磁直線同步電機(jī)外殼與泵筒連接成一體置于套管內(nèi)，應(yīng)用直線電機(jī)的次級帶動(dòng)柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成原油的抽汲。圓筒型永磁直線同步電機(jī)的動(dòng)子兩端采用螺紋各連接1個(gè)短柱塞，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的動(dòng)子帶動(dòng)短柱塞做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，取消了抽油桿及地面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)中使用的直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上固定閥總成、位移測量裝置、上柱塞總成、密封裝置、圓筒型永磁直線同步電機(jī)、下柱塞總成、下固定閥總成等組成。

1.2 工作原理

當(dāng)圓筒型永磁直線同步電機(jī)的次級向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，直線電機(jī)抽油泵做上沖程運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，下短柱塞下面的下泵腔容積增大，壓力減小，下游動(dòng)閥在其上下壓差的作用下關(guān)閉，而下固定閥在其上下壓差的作用下打開，原油進(jìn)入下泵腔，而此時(shí)上短柱塞上面的上泵腔容積減小，壓力增大，上游動(dòng)閥在其上下壓差的作用下關(guān)閉，上固定閥在其上下壓差的作用下打開，上泵腔原油舉升進(jìn)入油管，然后排出；同理當(dāng)圓筒型永磁直線同步電機(jī)的次級向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，直線電機(jī)抽油泵做下沖程運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，柱塞壓縮下泵腔中的原油，下短柱塞下面的下泵腔容積減小，壓力增大，而上短柱塞上面的上泵腔容積增大，壓力減小，因此上、下2個(gè)游動(dòng)閥均在其上下壓差的作用下打開，下泵腔原油進(jìn)入上泵腔。直線電機(jī)次級一上一下，帶動(dòng)泵的短柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，抽油泵就完成了1次抽汲循環(huán)。重復(fù)進(jìn)行循環(huán)從而完成原油舉升。

圖1 試驗(yàn)用直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 室內(nèi)試驗(yàn)裝置的建立

直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)裝置主要包括直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)、運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、配電柜、計(jì)量罐、油箱等，如圖2。通過運(yùn)行控制可以實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)運(yùn)行啟?？刂?、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的改變、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控；通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采集直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電參數(shù)和柱塞的位移量。

運(yùn)行控制主要是指通過軟件實(shí)現(xiàn)控制，在遵守各電子設(shè)備通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上，編制組態(tài)程序和PLC程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)、PLC、A／D模塊、變頻器之間的通訊。最終將各種操作及相關(guān)信息都集中顯示在組態(tài)軟件編制的可視化程序主界面上。應(yīng)用組態(tài)王6.54建立的程序共有4個(gè)程序界面：程序主界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示曲線界面、歷史數(shù)據(jù)曲線界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面。通過界面的操作，可以實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)的運(yùn)行啟停控制及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置；可以將系統(tǒng)的運(yùn)行電參數(shù)及柱塞的位移值實(shí)時(shí)顯示在組態(tài)程序界面上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控；可查詢系統(tǒng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)。通過PLC梯形圖程序可以實(shí)現(xiàn)PLC、模塊、變頻器之間的通訊，是組態(tài)程序與直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)運(yùn)行控制之間的橋梁。程序共分為3部分：PLC與A／D模塊通訊部分程序段；PLC與變頻器通訊部分程序段；PLC對直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)運(yùn)行控制部分程序段。有了PLC程序就可以實(shí)現(xiàn)組態(tài)程序?qū)χ本€電機(jī)抽油泵系統(tǒng)的運(yùn)行控制，也可以實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)在組態(tài)程序界面上的實(shí)時(shí)顯示。

圖2 試驗(yàn)臺系統(tǒng)組成原理

數(shù)據(jù)采集包括直線電機(jī)的電參數(shù)、位移及抽油泵流量的采集。數(shù)據(jù)采集的方法很多，為了適應(yīng)試驗(yàn)的要求，本試驗(yàn)采用HIOKI 4169-20型電參數(shù)測試儀、數(shù)據(jù)采集板、計(jì)量罐進(jìn)行所需數(shù)據(jù)的采集。

使用變頻器的U／f控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變參數(shù)運(yùn)行。通過組態(tài)軟件編制的可視化程序主界面進(jìn)行電源頻率、電壓、運(yùn)行頻率等的設(shè)置，然后輸入至變頻器，再由變頻器控制直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)的運(yùn)行。

使用柴油機(jī)油作為試驗(yàn)的循環(huán)介質(zhì)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)油在直線電機(jī)抽油泵的抽汲作用下經(jīng)過其中空部分后，進(jìn)入計(jì)量罐，再由計(jì)量罐流入油箱。配電柜向系統(tǒng)輸入三相交流電。通過運(yùn)行控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將運(yùn)行控制信號輸入到直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行控制。將經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換的傳感器信號、電機(jī)運(yùn)行的電參數(shù)值輸送給運(yùn)行控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及分析

測量不同頻率下直線電機(jī)抽油泵的運(yùn)行情況，得出頻率對直線電機(jī)抽油泵性能的影響及其變化規(guī)律。測試條件：設(shè)定輸入電壓為200V，沖次為20 min－1，頻率分別為3、4、5Hz。使用HIOKI 4169－20電參數(shù)測試儀測量直線電機(jī)的電參數(shù)，結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 有功功率曲線

圖4 無功功率曲線

圖5 電壓曲線

圖6 電流曲線

由圖3～6可以看出：當(dāng)使用U／f控制方式控制直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，保持直線電機(jī)的輸入電壓不變，改變直線電機(jī)的運(yùn)行頻率不會(huì)影響直線電機(jī)抽油泵的電參數(shù)特性；其中，每一條曲線的上升段是直線電機(jī)抽油泵的啟動(dòng)過程，曲線的下降段是直線電機(jī)抽油泵的制動(dòng)過程，曲線的平緩變化段是直線電機(jī)抽油泵的穩(wěn)定運(yùn)行過程；每條曲線存在的波動(dòng)是由直線電機(jī)抽油泵存在振動(dòng)而引起的。

在直線電機(jī)抽油泵同參數(shù)運(yùn)行的條件下，使用研華數(shù)據(jù)采集卡采集直線電機(jī)抽油泵柱塞的位移參數(shù)，曲線如圖7所示。應(yīng)用OriginLab科學(xué)繪圖和數(shù)據(jù)分析軟件處理位移數(shù)據(jù)，通過傅立葉濾波處理后得到直線電機(jī)抽油泵1個(gè)沖程內(nèi)的位移、速度及加速度曲線，如圖8～10所示。

圖7 試驗(yàn)采集原始位移數(shù)據(jù)曲線

圖8 傅立葉濾波后位移曲線

圖9 速度曲線

圖10 加速度曲線

由圖8～10可以看出：直線電機(jī)抽油泵在1個(gè)沖程內(nèi)，柱塞的速度和加速度不僅大小發(fā)生變化，而且方向也變化；上沖程的前半沖程為加速運(yùn)動(dòng)，加速度為正，加速度值越來越小，一直減小到零；上沖程的后半沖程為減速運(yùn)動(dòng)，加速度為負(fù)，加速度絕對值越來越大；下沖程與上沖程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，運(yùn)動(dòng)方向相反。直線電機(jī)抽油泵在1個(gè)沖程內(nèi)的上、下死點(diǎn)處加速度值最大。

當(dāng)使用U／f控制方式控制直線電機(jī)抽油泵運(yùn)行時(shí)，保持直線電機(jī)抽油泵的輸入電壓不變，只改變直線電機(jī)抽油泵的運(yùn)行頻率，直線電機(jī)抽油泵1個(gè)沖程內(nèi)的位移、速度和加速度值隨著頻率的增加而增加。

根據(jù)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)計(jì)算1個(gè)周期內(nèi)的相關(guān)參數(shù)值，如表1所示。

由表1可以看出：在直線電機(jī)抽油泵的輸入電壓不變的情況下，改變輸入頻率值，在直線電機(jī)抽油泵的1個(gè)運(yùn)行沖程內(nèi)，流量系數(shù)、有效功率、泵效均隨著頻率的增加而增加；流量系數(shù)值從3Hz時(shí)的0.875增加到5Hz時(shí)的0.877，有效功率值從3Hz時(shí)的0.606kW增加到5Hz時(shí)的0.897kW，5Hz時(shí)泵效比3Hz時(shí)提高了10.87%；最大推力值隨著頻率的增加有很小的變化，可以忽略，因此最大推力值不隨頻率的變化而變化。

表1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

4 結(jié)論

1） 直線電機(jī)抽油泵運(yùn)行過程中發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了直線電機(jī)抽油泵的正常運(yùn)行。如果將其投入現(xiàn)場使用，首先要解決直線電機(jī)的發(fā)熱與散熱問題。

2） 直線電機(jī)抽油泵徹底取消了抽油桿及地面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)，從而解決了桿管偏磨這一難題，也降低了系統(tǒng)的損耗。

3） 文章中提出的直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用U／f控制方式控制直線電機(jī)抽油泵運(yùn)行時(shí)，電參數(shù)不隨著頻率的改變而改變；直線電機(jī)抽油泵的位移、速度和加速度值隨著頻率的增加而增加；直線電機(jī)抽油泵的流量系數(shù)、有效功率、泵效均隨著頻率的增加而增加。

［1］ 梁會(huì)珍，段寶玉，陳庭舉，等.直線電機(jī)作為井下泵動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)想［J］.石油鉆采工藝，2004，26（3）：75-77.

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Experimental Study of Linear Motor Pumping Unit

JIANG Min-zheng1，LI Yang1，WANG Hui2，XING Zong-tao3，CHANG Rui-qing4
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.Bohai Oil Marine Engineering ＆Supply Co.，Ltd.，Tianjin300457，China；3.No.1 Drilling Company，Daqing Oilfield Drilling Engineering Company，Daqing163411，China；4.Oil Production Engineering Research Institute，Daqing Oilficld Co.，Ltd.，Daqing163453，China）

Based on reciprocating motion of the linear motor，adapt it was combined with progressive cavity pumping unit to eliminate pumping rod and the ground transmission mechanism.Thusthe energy consumption of the system was greatly reduced；the efficiency of the system was improved.Through the experimental study，the linear motor pumping characteristics and their variation regularities were obtained，with theoretical and practical significance.

linear motor；pumping；experimental study

TE933.3

A

1001-3482（2012）05-0060-04