杜香芝（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院）

TYPL系列螺桿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

杜香芝（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院）

TYPL系列螺桿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用低速大轉(zhuǎn)矩永磁變頻同步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)，將抽油桿、油負(fù)荷的承重及其密封與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了原螺桿泵抽油系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)部分。由永磁變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。對(duì)TYPL系列螺桿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)試效果和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，得出了TYPL系列螺桿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)節(jié)電效果明顯的結(jié)論。

永磁同步電動(dòng)機(jī)；螺桿泵；控制柜

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.007

引言

采油螺桿泵技術(shù)作為一種新興的人工舉升方式，具有投資少、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、節(jié)能效果明顯以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能有效降低采油成本，提高采油效益，由于擁有抽油機(jī)、潛油柱塞泵、潛油電泵、水力活塞泵等機(jī)采方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，倍受國(guó)內(nèi)外油田重視，并逐漸成為油田主要的機(jī)采方式之一[1]。采油螺桿泵技術(shù)是由地面動(dòng)力部分帶動(dòng)抽油桿柱旋轉(zhuǎn)，使螺桿泵轉(zhuǎn)子低速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)舉升的機(jī)械采油設(shè)備[2]。螺桿泵是一種容積式泵，原油開采過程中不會(huì)出現(xiàn)砂卡、結(jié)垢、氣鎖等現(xiàn)象，適用于高含氣量、高含砂量原油油井及斜井、水平井的開采和海上采油[3]。目前在油田應(yīng)用比較廣泛的變頻電動(dòng)機(jī)主要是異步變頻電動(dòng)機(jī)[4]。但異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)較低，加減速器驅(qū)動(dòng)螺桿泵使機(jī)組傳動(dòng)鏈變長(zhǎng)、故障點(diǎn)增加、系統(tǒng)效率進(jìn)一步降低。為改善電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)，提高系統(tǒng)效率，近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究，主要包括驅(qū)動(dòng)離心泵用的高速潛油永磁同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)螺桿泵用的低速永磁同步電動(dòng)機(jī)。伴隨我國(guó)油田開采時(shí)間的延長(zhǎng)和含水量的不斷上升，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采油技術(shù)發(fā)展的越來越快，在機(jī)組設(shè)計(jì)制造、油井選擇、工況監(jiān)測(cè)、開采測(cè)試等方面配套工藝日趨完善，且發(fā)展應(yīng)用前景十分廣闊[5]。

以永磁同步電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，通過樣機(jī)試制、試驗(yàn)，室內(nèi)測(cè)試效果和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，得出TYPL系列螺桿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，節(jié)電效果明顯。

1 產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)機(jī)械部分優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）由于TYPL永磁變頻螺桿泵專用電動(dòng)機(jī)在油井上使用，機(jī)殼要具有防爆功能，因此要按防爆電動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，選用防爆電動(dòng)機(jī)外殼，同時(shí)電動(dòng)機(jī)要能承受較大的軸向力。電動(dòng)機(jī)要求定、轉(zhuǎn)子要同心。

2）由于其與螺桿泵直接連接，要求連接牢固、可靠，其關(guān)鍵點(diǎn)是要合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

3）永磁變頻螺桿泵專用電動(dòng)機(jī)直接安裝在油井上，電動(dòng)機(jī)的法蘭與油井井口的法蘭固定在一起，螺桿泵的泵桿穿過電動(dòng)機(jī)的空心軸，在電動(dòng)機(jī)的上端與電動(dòng)機(jī)軸連接，因此原油的密封就要由電動(dòng)機(jī)來完成，這就要求密封器密封可靠、檢修和更換方便。

1.2 系統(tǒng)控制部分優(yōu)化設(shè)計(jì)

變頻器與電動(dòng)機(jī)之間應(yīng)盡量避免安裝接觸器一類的器件，而電動(dòng)機(jī)要發(fā)電制動(dòng)，就必須在電動(dòng)機(jī)接線端子處接入電阻，來消耗電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換出來的電能?？墒窃谙到y(tǒng)正常工作時(shí)，又不得接入制動(dòng)電阻，以防變頻器提供的電能在制動(dòng)電阻上消耗。發(fā)電制動(dòng)線路如圖1所示，在變頻器得電時(shí)，接觸器線圈得點(diǎn)打開常閉出點(diǎn)，電阻不構(gòu)成閉合回路，電阻不工作，在變頻器失電時(shí)，直流母線電壓消失，接觸器打開，常閉觸點(diǎn)閉合，電阻經(jīng)接觸器常閉出點(diǎn)構(gòu)成閉合回路，電阻開始工作，進(jìn)行能耗制動(dòng)。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖1 發(fā)電制動(dòng)線路圖

1.3 系統(tǒng)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了滿足較高的穩(wěn)定性要求，降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)，減小振動(dòng)和噪聲，選取適當(dāng)?shù)亩ㄗ硬劭趯挾群蜌庀堕L(zhǎng)度。定子槽口越寬，氣隙長(zhǎng)度越短，齒轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)就越高，但漏磁越小。為了兼顧齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)和效率，適當(dāng)選取磁極偏移角，根據(jù)定子槽數(shù)和極數(shù)選取適當(dāng)?shù)拇艠O偏移角，可以有效的削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

齒槽轉(zhuǎn)矩定義為電動(dòng)機(jī)不通電時(shí)的磁場(chǎng)能量W對(duì)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置角α的負(fù)導(dǎo)數(shù)，即

式中：Tcog——齒槽轉(zhuǎn)矩，N·m；

W——磁場(chǎng)能量，J。

α——定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置角，°。

因此在設(shè)計(jì)過程中從齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)采取如下措施降齒槽轉(zhuǎn)矩：

1）改變磁極參數(shù)：合理設(shè)計(jì)磁極的磁密幅值，削弱電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。

2）改變電樞參數(shù)：合理設(shè)計(jì)電樞槽型及槽口寬度，削弱電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。

3）合理選擇電動(dòng)機(jī)的極、槽配合。

通過樣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，很好的滿足了采油要求。

2 應(yīng)用效果分析

2.1 室內(nèi)測(cè)試效果分析

對(duì)100臺(tái)TYPL系列永磁變頻螺桿泵專用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了抽樣測(cè)試，主要測(cè)試內(nèi)容包括：傳動(dòng)效率、過載能力、反轉(zhuǎn)控制性能、溫升。測(cè)試結(jié)果見表1。

通過測(cè)試結(jié)果可以看出，抽樣測(cè)試的10套TYPL永磁變頻螺桿泵專用電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的4個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的8項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)50口螺桿泵井安裝TYPL系列永磁變頻螺桿泵專用電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能效果對(duì)比跟蹤測(cè)試，對(duì)安裝前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 50口螺桿泵井安裝專用電動(dòng)機(jī)前后平均測(cè)試數(shù)據(jù)

通過統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，單井有功功率下降1.22 kW，無功功率下降8.04 kW，功率因數(shù)提高0.38，系統(tǒng)效率上升了5.41%。單井日節(jié)電達(dá)29.28 kWh，單井年節(jié)電1.054×104kWh，電價(jià)按0.989元/kWh計(jì)算，單井年節(jié)約電費(fèi)1.04萬元，50口井可實(shí)現(xiàn)年節(jié)約電費(fèi)52萬元，節(jié)能效果顯著。

3 結(jié)論

通過對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械部分、控制部分、電磁部分的設(shè)計(jì)優(yōu)化，TYPL永磁變頻螺桿泵專用電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)已在石油行業(yè)廣泛應(yīng)用，并取得了較好的應(yīng)用效果。主要通過減少減速機(jī)構(gòu)，降低了機(jī)械成本；通過減小電動(dòng)機(jī)體積，減少了占地面積；達(dá)到了高效運(yùn)行，安全生產(chǎn)的目的，節(jié)能效果顯著。

[1]崔俊國(guó)，肖文生，喻高遠(yuǎn)，等.潛油永磁同步電動(dòng)機(jī)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展[J].電動(dòng)機(jī)與控制應(yīng)用，2015（3）：7-12．

[2]呂斌.潛油直驅(qū)螺桿泵采油技術(shù)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2015.

[3]常志祥.低速永磁潛油電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]張寶柱，王道軍.永磁電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012（23）：26-27.

[5]蔡淑蘭.潛油電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采油技術(shù)的發(fā)展[J].化學(xué)工程與裝備，2014（10）：157-158.

（編輯 沙力妮）

遼河油田公司吹響節(jié)能宣傳周活動(dòng)集合號(hào)

本月11日至17日是全國(guó)節(jié)能宣傳周，遼河油田公司緊密圍繞“開源節(jié)流降本增效”工作總體部署，在公司范圍內(nèi)舉行了主題為“節(jié)能有我，綠色共享”的節(jié)能宣傳活動(dòng)，著力提高全員節(jié)能意識(shí)，深入挖掘節(jié)能潛力，促進(jìn)油田各生產(chǎn)系統(tǒng)能效水平的持續(xù)提升。

長(zhǎng)期以來，遼河油田公司一直將節(jié)能降耗視為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的“重頭戲”，“十二五”期間超額完成節(jié)能任務(wù)指標(biāo)，連續(xù)13年被評(píng)為“中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能節(jié)水先進(jìn)企業(yè)”，并實(shí)現(xiàn)“十三五”節(jié)能工作良好開局。

配合“開源節(jié)流降本增效”工作是今年節(jié)能宣傳周系列活動(dòng)的最大特點(diǎn)。借著此次節(jié)能宣傳周的契機(jī)對(duì)相關(guān)工作進(jìn)行重點(diǎn)審查，保證任務(wù)完成質(zhì)量。

節(jié)能宣傳周活動(dòng)從4個(gè)方面進(jìn)行：開展節(jié)能目標(biāo)責(zé)任制檢查活動(dòng)，主要對(duì)各單位節(jié)能任務(wù)指標(biāo)、節(jié)能開源節(jié)流降本增效指標(biāo)分解落實(shí)及階段完成情況進(jìn)行檢查，確認(rèn)各單位上半年節(jié)能任務(wù)指標(biāo)完成進(jìn)度；開展節(jié)能監(jiān)察活動(dòng)，在上半年重新編制了能源監(jiān)察工作方案，以保證能效水平對(duì)標(biāo)、專項(xiàng)資金項(xiàng)目實(shí)施等重點(diǎn)工作的實(shí)施進(jìn)度，提升各生產(chǎn)系統(tǒng)能效水平；開展對(duì)節(jié)能專項(xiàng)項(xiàng)目運(yùn)行情況的檢查，重點(diǎn)檢查專項(xiàng)資金使用情況、資金結(jié)余情況、項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度、已完成項(xiàng)目運(yùn)行情況等；開展能源審計(jì)研討與推進(jìn)活動(dòng)，能源審計(jì)工作是下半年的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，組織節(jié)能管理人員開展相關(guān)培訓(xùn)，重點(diǎn)針對(duì)能源審計(jì)的程序和方法進(jìn)行學(xué)習(xí)研討。

今年節(jié)能宣傳周的宣傳活動(dòng)還與《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》等相關(guān)文件的要求相結(jié)合，號(hào)召全體員工踐行節(jié)約“一滴油、一度電、一滴水、一張紙”，從點(diǎn)滴做起，增進(jìn)節(jié)能意識(shí)，營(yíng)造崇尚節(jié)約、合理消費(fèi)與低碳環(huán)保的社會(huì)風(fēng)尚，推動(dòng)形成綠色生產(chǎn)生活方式，助力油田可持續(xù)發(fā)展。

羅福梅

2017-02-23

杜香芝，工程師，1986年畢業(yè)于大慶石油學(xué)校（采油專業(yè)），從事產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)工作，E-mail：duxz@petrochina.com，地址：黑龍江省大慶市采油工程研究院采油工程產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，163543。