張景偵（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

直驅(qū)螺桿泵三相異步電動機(jī)與電腦控制箱的應(yīng)用

張景偵（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

螺桿泵采油是近十多年迅速發(fā)展起來的一種新型采油裝置，特別適合高黏稠、高含氣、高含砂、高含水以及低產(chǎn)液井的原油開采，能有效地克服氣鎖、砂卡等現(xiàn)象。采油試驗(yàn)表明 ， 螺 桿 泵 的 平 均 總 效 率 達(dá) 到 63.4%， 比 游 梁 式 抽 油 機(jī) 高 13%， 比 電 潛 泵 高 50%， 地 面 螺 桿 泵 比抽油機(jī)提高產(chǎn)油率 23.5%。直驅(qū)螺桿泵具有節(jié)能高效、體積小、質(zhì)量輕、安裝方便、井口占地面積小、一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用低和便于管理等優(yōu)點(diǎn)，而新型的三相異步電動機(jī)、電腦控制箱的應(yīng)用在一定程度上節(jié)省了螺桿泵維修、調(diào)參的時間。

直驅(qū)螺桿泵 三相異步電動機(jī) 電腦控制箱 節(jié)能

我國傳統(tǒng)的螺桿泵直驅(qū)系統(tǒng)一般采用永磁同步電動機(jī)。永磁同步電動機(jī)不能長期在振動、沖擊、高低溫、濕熱等較為惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，存在最大轉(zhuǎn)矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉(zhuǎn)速受限制，功率較小和起動困難等缺點(diǎn)，并且永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)較異步電動機(jī)復(fù)雜，成本較高。正常工作時處于低負(fù)荷狀態(tài)，而啟動時又需要高轉(zhuǎn)矩，降低了其使用壽命。

螺桿泵三相異步交流電動機(jī)直拖系統(tǒng)，改變了常規(guī)螺桿泵驅(qū)動頭使用減速器和皮帶的傳動方式，新設(shè)計為三相異步交流電動機(jī)直接驅(qū)動，電動機(jī)驅(qū)動控制裝置通過輸入指令進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)速度預(yù)設(shè)置、實(shí)時速度調(diào)節(jié)、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、軟啟動、軟停機(jī)等功能，從而實(shí)現(xiàn)對螺桿泵負(fù)載的直接驅(qū)動。

1 螺桿泵三相異步交流電動機(jī)直拖系統(tǒng)的特點(diǎn)

螺桿泵三相異步交流電動機(jī)直拖系統(tǒng)，是根據(jù)地面驅(qū)動螺桿泵的工作原理，結(jié)合油田的開采條件以及地下流體的特性運(yùn)用先進(jìn)的現(xiàn)代生產(chǎn)工藝，結(jié)合目前先進(jìn)的三相異步交流電動機(jī)的伺服驅(qū)動技術(shù)而開發(fā)出的具有國際領(lǐng)先水平的直驅(qū)螺桿泵節(jié)能控制裝置。

其功能特點(diǎn)為：

1）該技術(shù)采用三相異步電動機(jī)驅(qū)動螺桿泵，具有使用壽命長、節(jié)能效果顯著、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性增強(qiáng)、操作簡單、價格低廉、維護(hù)費(fèi)用降低及可有效避免永磁電動機(jī)夏季溫升過高等技術(shù)優(yōu)勢。

2）伺服控 制 系統(tǒng)配 用觸摸 屏 對控制 器 進(jìn)行 參數(shù)調(diào)整。在觸摸屏參數(shù)設(shè)置里可直接調(diào)整參數(shù)，操作簡單方便。全頻域范圍內(nèi)的精確速度控制，速度控制精度可達(dá)±0.1%，最低運(yùn)行速度 0.3r/min。

3）系統(tǒng)根 據(jù) 檢測的 扭矩變 化 及時改 變 電動 機(jī)轉(zhuǎn)速，使螺桿泵采油量與油井供油量始終處于最佳匹配狀態(tài)，防止抽空或欠抽，延長螺桿泵使用壽命，增加采油量。系統(tǒng)在整個工作范圍內(nèi)都處于高效 區(qū) ， 可 提 高 系 統(tǒng) 效 率 30%～60%， 降 低 了 采 油成本。

4）防反轉(zhuǎn) 功 能，該 伺服控 制 系統(tǒng)具 有 低速 大扭矩輸出功能、零速鎖軸功能和母線電壓實(shí)時檢測功能，實(shí)現(xiàn)直驅(qū)螺桿泵減速停機(jī)。

5）伺服控 制 系統(tǒng)無 需加裝 補(bǔ) 償電容 ， 可將 電網(wǎng)的 功 率 因 數(shù) 提高到 0.9 以 上，節(jié)省 輸 配 電 投 資。

6）伺服驅(qū)動器具有過電壓、過電流、短路、缺相、超載、反轉(zhuǎn)、系統(tǒng)溫升過高等保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)各種參量顯示（轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩等），方便操作人員了解油井工作情況，確保油井的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)采油管理的智能化。

7）可實(shí)現(xiàn) 軟 啟動、 軟停車 、 反轉(zhuǎn)制 動 、間 歇工作、變速工作，有利于減少螺桿泵部件的磨損，防止螺桿倒轉(zhuǎn)脫口，減少螺桿泵的磨損和振動，減少盤根漏油，延長螺桿泵的使用壽命，提高了設(shè)備的使用率。

8）系 統(tǒng) 采用國 際 領(lǐng)先的 空 間矢 量 算法， 抑 制了諧波的產(chǎn)生。系統(tǒng)配置直流電抗器和大容量電容器，組成LC吸收電路，可有效阻止諧波回饋到電網(wǎng)。

在 相 同 轉(zhuǎn) 速 （70r/min）下 永 磁 電 動 機(jī) 與 三 相異步電動機(jī)的參數(shù)對比見表1。

表1 某區(qū)某井試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，螺桿泵三相異步交流伺服電動機(jī)直拖系統(tǒng)產(chǎn)品在有功功率、無功功率、功率因數(shù)方面都較永磁電動機(jī)直驅(qū)拖動裝置產(chǎn)品有很大的提高。功率因數(shù)提高3倍多，無功功率下降了7.66kvar，而 有 功 功率下降 了 0.659kW。

三 相 異 步 電 動 機(jī) 90r/min 與 永 磁電動 機(jī) 70r/min參數(shù)對比見表2。

表2 某區(qū)某井試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

在 轉(zhuǎn) 速 提 高 20r/min 的 情 況 下 ， 螺 桿 泵 三 相 異步交流伺服電動機(jī)直拖系統(tǒng)產(chǎn)品在有功功率、無功功率、功率因數(shù)方面較永磁電動機(jī)直驅(qū)拖動裝置產(chǎn)品依然有很大的改善。功率因數(shù)提高3倍多，有功功 率 下 降 了 0.479kW， 無 功 功 率 下 降 了 7.545kvar，從而更節(jié)能。

螺桿泵三相異步電動機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)是：

1）結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 直 接 將 輸 出 轉(zhuǎn) 矩 傳 遞 給 螺 桿泵，省去了現(xiàn)有螺桿泵抽油機(jī)復(fù)雜的皮帶減速傳動裝置、齒輪箱減速傳動裝置和防反轉(zhuǎn)制動機(jī)構(gòu)，縮小了體積，免去了齒輪減速箱漏油的不足。

2）全 頻 域范圍 內(nèi) 的精確 速 度控 制 和低速 大 扭矩輸出，更適合重載啟動。解決了變頻器低速力矩不足重載啟動困難的缺點(diǎn)，使重載啟動更平穩(wěn)，對電動機(jī)和抽油桿沖擊更小，減小設(shè)備維護(hù)量。

3）精 確 的勵磁 電 流扭矩 控 制， 使 電動機(jī) 空 載電 流 由 原 來 的 30%～50%降 低 到 10%以 下 ， 更 節(jié)能，更高效。

4）雙 DSP+FPGA 設(shè) 計 實(shí) 現(xiàn) 了 高 速 的 運(yùn) 算 能力。能夠進(jìn)行大規(guī)模數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了對電流與轉(zhuǎn)矩的實(shí)時監(jiān)控與分析，可完成精確的動態(tài)調(diào)整。

5） USB、 RS232、 RS485、 Ethernet/ip、CANOPEN等通信接口可方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、打印、傳輸，并可輕松實(shí)現(xiàn)集中遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 螺桿泵異步交流伺服電動機(jī)直拖系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

螺桿泵三相異步交流電動機(jī)直拖系統(tǒng)是由螺桿泵伺服控制裝置和螺桿泵地面驅(qū)動裝置構(gòu)成，伺服控制裝置采用交流伺服控制器，而地面驅(qū)動裝置和井下螺桿泵組成采油裝置。二者由加強(qiáng)級抽油桿作為繞軸，把井口驅(qū)動裝置的動力通過抽油桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動 傳 遞 到 井 下 ， 從 而 驅(qū) 動 螺 桿 泵 的 轉(zhuǎn) 子 工 作[1]。

地面驅(qū)動裝置是由驅(qū)動部分（空心軸直驅(qū)伺服電動機(jī)）、傳動部分（主要由傳動軸、方卡子、光桿組成）、承重部分（主要包括承重殼體、載荷傳遞軸及承重軸承構(gòu)成）和封井器組成。采用直驅(qū)方式，省去了皮帶和齒輪傳動部分，通過傳動軸將轉(zhuǎn)矩直接加載到驅(qū)動桿上，大大地增加了系統(tǒng)的工作效率。

螺桿泵三相異步交流電動機(jī)直拖系統(tǒng)是總結(jié)了以往螺桿泵各種電氣控制系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的伺服控制技術(shù)研制的新型直驅(qū)螺桿泵控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自動化程度高、操作簡單、節(jié)能高效等特點(diǎn)。

螺桿泵異步交流伺服電動機(jī)直拖系統(tǒng)主要由異步交流伺服電動機(jī)和伺服控制器構(gòu)成。

系統(tǒng)各部分功能見圖1。

圖1 螺桿泵三相異步交流電動機(jī)直拖系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)電動機(jī)采用空心軸設(shè)計，通過直連將扭矩傳遞給傳動軸，傳動軸通過位于其上的方卡子帶動光桿旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光桿與電動機(jī)空心軸的同步旋轉(zhuǎn)。加上精確的力矩和速度控制，避免了斷桿、反轉(zhuǎn)脫扣等問題，使螺桿泵采油量與油井供油量始終處于最佳匹配狀態(tài)。制動方面，加強(qiáng)了電磁牽制控制強(qiáng)度、配有制動單元及制動電阻完成正常的防反轉(zhuǎn)控制；當(dāng)防反轉(zhuǎn)控制失效或系統(tǒng)掉電時自動進(jìn)入能耗制動方式，使防反轉(zhuǎn)控制更加可靠。

伺服控制系統(tǒng)通過檢測電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩并經(jīng)伺服內(nèi)部高速DSP的綜合分析，將調(diào)節(jié)值轉(zhuǎn)換成電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。通過檢測抽油桿所受到的扭矩變化，實(shí)時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)速度的靈活方便調(diào)整，使螺桿泵始終工作在最佳狀態(tài)，使能源利用率達(dá)到最高。

3 認(rèn)識

通過對螺桿泵三相異步電動機(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用和對比，對三相異步電動機(jī)及電腦控制柜有以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

1）螺 桿 泵三相 異 步電動 機(jī) 具有 價 格低、 承 受過載能力強(qiáng)、耐高溫、卸載平穩(wěn)、安全性能高、維修方便等特點(diǎn)。

2）電腦控 制 柜功能 更為強(qiáng) 大 ，觸屏 式 操控 能直觀地顯示電流、電壓、扭矩等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)油田生產(chǎn)需要快速更改及添加其地面監(jiān)控數(shù)據(jù)。

3）電動機(jī) 附 帶的玻 璃管油 液 位采用 透 明玻 璃管附帶溫度顯示更為直觀、準(zhǔn)確，從而不會導(dǎo)致軸承因缺油而磨損電動機(jī)。

4）電腦觸 屏 控制柜 內(nèi)的多 項(xiàng) 數(shù)據(jù)綜 合 分析 可不憋泵準(zhǔn)確判斷桿斷及泵運(yùn)行情況。

5）三相電 動 機(jī)護(hù)罩 外形尺 寸 更為合 理 ，其 材質(zhì)更精良，外壁更厚，鋼性更強(qiáng)，因此安全性能更高。

[1]魏忠印.螺桿泵故障原因分析及對策[J].中外企業(yè)家, 2012(8):138.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.012.010

2013-06-25）

張景偵，2005年畢業(yè)于大慶職業(yè)大學(xué)（采油工程專業(yè)），從 事 采 油 工 作 ，E-mail：zhjingzhen@petrochina.com.cn， 地 址 ： 黑 龍 江省大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠第一油礦，163511。