直驱螺杆泵（通用5篇）
直驱螺杆泵 篇1
摘要：随着稠油开采的逐步深入和螺杆泵及其配套工艺的日趋成熟, 螺杆泵采油在稠油、低产、出沙类油藏的开采中表现出较好的适应性, 在这类油田的开发开采中上得到了大力的推广。但由于常规螺杆泵中间传动环节较多, 造成的动能损失和故障率也会相应的提高。直驱式螺杆泵作为螺杆泵井生产的一种新型驱动方式, 较常规螺杆泵减少了传动装置, 具有能耗少、稳定性好等特点, 综合节能可达到25%以上。
关键词：螺杆泵,直驱,传动,节电率,价值
随着螺杆泵及其配套工艺的日趋成熟, 螺杆泵、抽油机和电潜泵已经成为油田上常用的三种举升采油方式。在相同条件下, 螺杆泵较抽油机和电潜泵具有泵效高、投入低、能耗低等优点。而且在稠油、低产、出沙类油藏的应用中, 抽油机和电潜泵无法满足生产需要, 而螺杆泵在这类油藏的开采中表现出了较好的适应性, 因此得到了大力的推广。常规螺杆泵的驱动方式为传动驱动, 动力由电动机的输出端经皮带、链条、齿轮等传动到光杆, 用来带动抽油杆转动, 从而达到驱动螺杆泵转子的目的。但由于常规螺杆泵中间传动环节较多, 造成的动能损失和故障率也会相应的提高。直驱式螺杆泵作为常规螺杆泵的改进型, 实现了螺杆泵驱动装置的成功简化, 为螺杆泵井生产提供了一种新型驱动方式, 较常规螺杆泵具有能耗少、稳定性好等特点[1]。
1 技术原理及特点
螺杆泵直驱系统主要由螺杆泵直驱电动机和电气控制柜两大部分组成, 电动机采用高性能永磁力矩伺服电动机, 光杆直接从空心轴穿过, 伺服电动机直接驱动光杆。电气控制柜采用先进的电动机矢量位置控制方法, 通过匹配的正弦波输入信号进行控制, 见图1。
技术特点:
1) 高效节能。永磁力矩伺服电机具有比异步电机更高的效率, 更宽广的高效区, 同时去掉常规减速环节后, 传动系统的效率明显提升, 直接驱动装置比原有螺杆泵传动装置节能效果非常显著, 现场试验表明, 在同等排量下, 综合节能可达到25%以上[2]。
2) 结构简单、可靠。电动机采用空心轴结构直接安装在井口上, 无减速箱, 通过方卡子抱紧光杆, 直接驱动, 大幅减少了中间环节, 故障点减少, 电动机基本不需要任何维护, 可靠性有效提高。
2 试验情况
2.1 试验效果
为了降低螺杆泵井生产能耗, 减少螺杆泵井故障率, 提高螺杆泵井生产效率, 2013年开展了螺杆泵直驱装置的研究, 并在泽70块的30口螺杆泵井现场安装, 泽70块共有33口螺杆泵井, 生产状况为平均日产油3.74 t, 平均含水65.8%。现对其中的6口油井安装电表对油井耗电情况进行了监测, 见表1。
在油井各项生产参数未变情况下, 单井平均日节电21.5 k Wh, 平均综合节电率26.6%[3]。
2.2 经济效益计算
1) 单井应用螺杆泵直驱装置后, 节电率按平均值26.6%计算, 年累计节电0.781×104k Wh, 按照电价0.77元/k Wh计算, 年节约电费约为0.6万元。
2) 应用螺杆泵直驱装置后较普通螺杆泵传动系统维修次数减少2次/年, 单次维修费用按照0.3万元, 维修时间按2 h计算, 增加原油产量0.62 t, 按照原油平均价格4 663.07元/t, 年增加经济效益0.9万元。
单井应用螺杆泵直驱装置后年可获经济效益1.5万元。
2.3 投入回报期
螺杆泵直驱装置的设备单价为8.7万元, 普通螺杆泵的设备单价为7万元, 可见螺杆泵直驱装置较常规螺杆泵虽然初期投入较大, 但设备运行1.2年后即有产出效益。
3 结论
1) 螺杆泵直驱装置技术成熟, 在原油生产上切实可行, 该设备的应用可提高了螺杆泵设备的工效和能源利用率。
2) 该项技术的应用推广, 减少了生产的能源消耗, 减轻了工人的劳动量, 降低了设备维修投入, 同时具有节能见效快的特点, 为降低吨油成本做出了巨大的贡献, 具有良好的节电效果和可观的经济效益。
3) 目前, 大部分油田开发已经进入中后期, 稠油、低产、出沙类油藏较为普遍, 怎样开采好这类油藏已经成为当务之急, 而推广应用先进的螺杆泵采油技术不失为解决这道难题的好方法。
参考文献
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[2]姜新通, 朱春燕, 赵振奎.地面直驱式螺杆泵系统[J].黑龙江科技学院学报.2009 (2) :125-128.
[3]雷莹.螺杆泵驱动装置技术评价[J].石油石化节能, 2013, 3 (5) :29-30.
螺杆泵开关磁阻地面直驱装置 篇2
针对上述问题, 提出了研究开关磁阻直驱驱动的技术思路, 优选高效成熟的电动机技术;它具有传动效率高, 节能效果好, 没有永磁体, 没有退磁风险, 发热低等优势。
1 螺杆泵开关磁阻地面直驱装置的组成
螺杆泵开关磁阻地面驱动装置如图1所示。
1) 立式开关磁阻直驱电动机:采用常规开关磁阻电动机技术, 技术成熟且电动机效率高。考虑到直驱电动机轴向承载轴承的冷却问题, 设计了1个2.5 kg左右的冷却油箱对承载轴承进行冷却润滑。将该电动机立式直接安装于井口, 减少了故障点, 减少了减速系统过程损耗, 运行平稳。
2) 延时软启动、停机防抽空变频控制器:利用变频控制技术实现立式开关磁阻直驱电动机延时软启动, 软停机;防抽空控制功能配备电参数分析装置, 根据功率、扭矩变化的大小自动反映螺杆泵井工作状态, 在供液严重不足的情况下及时调整工作参数, 实现保护功能。
3) 螺杆泵抽油杆电气反转控制功能:当手动停机或智能控制器对电动机施加保护停机时电气反转控制系统开始工作;电磁牵制防反转控制软件不断对电动机的转速和转向进行检测, 一旦发现反转立即对反转的速度及角度进行测量, 计算制动需要的强度, 然后施加制动力。随着电动机反转速度的不断降低, 制动力也不断降低, 直至停机。
4) 研发的开关磁阻地面直驱电动机主要技术参数如下所述:
◇电动机绕组相数3相, 额定功率22 k W, 额定转速200 r/min;
◇适应的环境温度-30~30℃, 防爆等级F级, 变频调速范围在50~200 r/min之间;
◇抽油杆反转电磁制动, 制动时间20~200 s可调;
◇轴向承载轴承额定载荷25 t。
2 实验室传动效率测试
2.1 测试原则
为了对比开关磁阻螺杆泵直驱驱动与目前油田广泛采用的其他螺杆泵驱动设备性能上的不同[5,6,7], 按输入-输出法选取了3种设备进行室内检测实验。该实验在额定电压和额定转速下, 按轴向负荷100%, 额定扭矩25%、50%、75%、100%、125%加载, 测算装置的传动效率。
2.2 测试结果
如图2所示, 当扭矩范围在200~800 Nm之间时, 开关磁阻直驱传动效率为74%~78.8%, 异步直驱传动效率为45%~49.4%, 普驱为38%~57%。
如图3所示, 当扭矩范围在100~800 Nm之间时, 开关磁阻直驱传动效率为70%~81.79%, 异步直驱传动效率为46%~58.5%, 普驱为28%~60%。
如图4所示, 当扭矩范围在200~800 Nm之间时, 开关磁阻直驱传动效率为76%~85%, 异步直驱传动效率为57%~67%, 普驱为43%~60%。
3 现场应用效果
2014年3月, 4台样机投入了现场试验。经过近1年的运行检验表明, 样机运行噪音偏大, 但整机震动小平稳可靠, 启停机冲击小。抽油杆防反转制动器满足了螺杆泵停机后扭矩的平稳释放。年内不需维护, 节省了维护费用。
该装置与永磁直驱装置相似, 与普通驱动相比减少了减速中间环节, 减小了能量损失, 有效降低装机功率。同时还分别与常规地面驱动装置及永磁直驱驱动装置进行了前后对比测试, 与常规配置电动机相比, 节电15%以上;与永磁直驱驱动对比, 耗电量基本相同。4口井的现场测试效果见表1。
4 结论
1) 螺杆泵开关磁阻地面直驱装置传动效率高, 节能效果好;电动机没有永磁体, 没有退磁风险;价格稳定。
2) 开关磁阻地面直驱电动机为3相低速开关磁阻电动机, 电动机的启动力矩大, 能很好地满足螺杆泵启动高扭矩的特性要求。基于开关磁阻电动机、变频控制成熟技术开发的螺杆泵开关磁阻地面直驱装置可靠性高, 运行稳定, 震动低。
3) 能耗与传统永磁直驱驱动基本相同, 能解决退磁问题, 可应用于普驱转直驱的节能工艺实施。
参考文献
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潜油直驱式螺杆泵技术研究与应用 篇3
目前, 在石油行业中所应用的螺杆泵采油系统, 大多是将电动机设置在地面上, 用抽油杆与km以下的井下螺杆泵相连并传递转矩, 使螺杆泵工作, 抽汲井液, 但这种装置存在以下缺点:
1) 电动机通过抽油杆间接驱动抽油泵工作, 启动转矩较大, 损耗了大量功率, 降低系统效率。由于油田井深普遍超过1000 m, 地面电动机通过1000 m以上的抽油杆带动螺杆泵转子, 电动机的大部分力矩都损耗在抽油杆上, 实际用于驱动部分的做功很少, 效率低。
2) 在应用过程中有杆管偏磨现象, 由于抽油杆的疲劳、磨损、腐蚀或因抽油杆质量等问题, 常常发生抽油杆的断脱等现象, 需经常维修, 增加了生产费用, 提高了采油成本。
3) 安装维护复杂。由于抽油杆太长, 每次安装和维护都要分段拆装, 步骤复杂, 耗费人力物力, 作业周期长。
由于螺杆泵多节点传动的特殊结构, 以及频繁的维护周期, 使得其制造和维修的成本偏高。尤其是, 随着国内对石油需求量的迅猛增长, 我国越来越重视对特殊油藏的钻采开发。伴随着斜井、水平井等新技术的应用, 高含砂井、高含气井、稠油井的逐渐增多, 现在使用的采油装备 (有杆泵、电潜泵) 已满足不了上述油井的开发要求, 而急需研制开发一种能较好适应特殊油藏开采的新型采油装备。
现有技术中也有将电动机置于井下的, 井下电动机通过减速器带动螺杆泵转子旋转, 这种技术取消了抽油杆, 解决了耗费功率、杆管偏磨和抽油杆断脱等问题;但因其传动链较长, 减速器体积受限, 承受的转矩较大, 减速器很容易出现故障, 影响整机使用寿命。而且传统机械式螺杆泵的力矩无法控制, 所配电动机为异步恒频恒压控制, 再加上所配电动机容量较大;当井下发生异常或地面出口管线阻塞等时, 电动机的速度总是保持不变, 无法降速, 这样势必造成扭断泵杆、井下螺杆泵定子脱落、减速器内齿轮断裂、烧坏电动机等故障[1]。
针对上述问题提出新型潜油直驱式螺杆泵技术研究, 在传统的机械式螺杆泵基础上, 去掉了皮带传动的机械部分, 采用立式空心轴电动机直接驱动螺杆泵光杆。其中, 电动机采用高效永磁式电动机, 由专用无传感伺服控制器进行控制, 系统结构简单、效率高, 几乎属于免维护类产品;同时, 精确的力矩和速度控制, 避免了断杆、反转脱扣等问题。新型直驱式螺杆泵除了具有传统螺杆泵的优点之外, 还克服了传统螺杆泵维修量大、调参困难、易断泵杆等缺点, 并且节电率也有所提高。
2潜油直驱式螺杆泵技术的基本原理及其特点
2.1基本原理
新型潜油直驱式螺杆泵主要包括地面部分、中间部分和井下部分。其中, 地面部分包括地面控制柜及接线盒;中间部分包括电缆、油管、单流阀和泄油阀;井下部分包括潜油专用永磁同步电动机、保护器、连接器和螺杆泵, 潜油专用永磁同步电动机置于井下设备的底端, 依次与保护器、连接器及螺杆泵自下而上同轴连接。
工作时, 由地面上的控制柜控制潜油专用永磁同步电动机, 对其进行无级调速, 使其以低转速运行, 大转矩输出, 直接驱动螺杆泵进行采油。这种直驱采油模式无需抽油杆, 无需机械减速装置, 提高了系统效率, 降低了能耗, 节约了成本, 具有结构简单, 安装维护方便, 工作安全可靠等优点。
新型潜油直驱式螺杆泵没有阀体和复杂流道, 水力损失少, 介质连续吸入和排出, 不易砂卡, 也不易产生气锁;因此, 泵传送液体的种类范围较宽, 包括高黏度、高含蜡、含砂、含气原油。
2.2技术特点
1) 节能50%左右, 油越稠节能效果越显著。
2) 无抽油杆, 消除了抽油杆与油管的磨损, 并避免抽油杆脱扣现象, 井管尺寸更小。
3) 应用范围广, 可用于斜井、定向井、水平井。
4) 地面占用空间小, 井口无泄漏, 无噪音, 日常管理简单。
5) 使用相同功率的电动机, 在相同扬程和相同排量的情况下, 螺杆泵的耗电量比电泵要小得多。
6) 电泵转速一般为2850 r/min, 而螺杆泵为30~125 r/min。
7) 井下泵效率高, 黏度高的井液效果更明显。
2.3潜油直驱式螺杆泵系统与偏置式螺杆泵系统技术对比
潜油直驱式螺杆泵与偏置式螺杆泵的对比如表1所示。
3应用情况
2014年, 在某油田应用潜油直驱式螺杆泵抽油系统, 选择了5口井进行改造试验 (表2) 。47-1至47-5井泵转速为75~120 r/min, 目前运行良好, 平均泵效达到85.4%, 有功功率降低3.46 k W, 综合节电率达到54.06%, 效果显著。
4结论
1) 潜油直驱式螺杆泵技术的应用, 可以很大限度地降低油井能耗, 提高效率。与常规游梁式抽油机相比, 潜油直驱式螺杆泵系统有显著的节电效果, 节电率达到54.06%。
2) 潜油直驱式螺杆泵系统可间断性工作及在线调参, 可根据地层供液能力的变化及时作出调整, 既能减少日常生产管理及维护的工作量, 提高运行时率, 又能提高泵效, 试验井平均泵效达到85.4%。
3) 潜油直驱式螺杆泵系统结构简单, 无杆管偏磨, 降低了整机的故障率和维护成本, 是1种安全、环保、节能、降低操作成本, 减轻劳动强度的抽油系统, 具有广泛的应用与推广前景。
参考文献
潜油直驱螺杆泵在萨北油田的应用 篇4
1 潜油直驱螺杆泵的基本结构
潜油直驱螺杆泵核心部分由直驱潜油电机 (含电机保护器) 、连接器、螺杆泵泵身和地面变频控制设备组成, 抽汲部分为螺杆泵, 驱动部分类似电泵。最显著的特点是专用直驱潜油电机和柔性连接器。
1.1 直驱潜油电机
与普通电潜螺杆泵相比, 潜油直驱螺杆泵取消了机械减速装置, 而使用专门的直驱永磁同步电机, 依靠地面控制箱控制器实时跟踪负载变化, 调节相应的电压和电流, 精确控制电机速度和转矩。
1.2 连接器
连接器也称柔性轴, 为双万向节结构, 连接电机转子和螺杆泵转子。连接器在将电机转子的同心运动转换为螺杆泵转子的偏心往复运动, 承受高扭矩的同时, 双万向节中的止推轴承还要承担螺杆泵的向下轴向力, 阻止其作用在电机轴上。
2 潜油直驱螺杆泵现场试验情况
2.1 北2-356-84井概况
北2-356-84井是萨北油田第一口潜油直驱螺杆泵井。该井1994年10月新井投产, 使用6型抽油机。2006年11月转螺, 使用K G L B200-25型螺杆泵。在进行潜油直驱螺杆泵试验前, 螺杆泵转速65Rpm, 日产液30.4t, 日产油1.1 t, 含水96.5%, 液面720米, 流压7.69Mpa。该井产量低, 油稠蜡多, 小队反映管理比较困难, 即便热洗周期按照30天执行, 洗井效果也并不理想。
2.2 试验用潜油直驱螺杆泵基本参数
根据北2-356-84的地层供液能力, 选取了ZQLB120-27泵型的潜油直驱螺杆泵, 使用普通工业用电380V变压器, 额定扭矩700N m, 最大转速500Rpm, 最大理论排量86.4m3d。
2.3 目前生产情况及发生问题
该井于2012年5月20日作业完工, 投产后初期进行加密测试, 后进入常态管理, 运行近一年来生产情况比较稳定, 沉没度保持在500米左右, 泵效90%以上。
该井投产初期在清蜡方面出现了一些问题, 给生产造成了一些影响。该井参照电泵井管理, 按照7天一个周期进行刮蜡。头三次刮蜡都很顺利, 于是决定将周期延长到15天。结果第五次刮蜡下不去, 一天后保护器过载保护自动断电停机。采油矿调用洗井清蜡车不点炉洗井配合刮蜡, 入口温度75℃, 温度很快返回, 洗井压力也只有5Mpa, 但刮蜡仍很困难。最终耗时5个小时才到完成刮蜡。
2.4 相关认识
反思该井刮蜡下不去的原因, 并不是因刮蜡不及时, 过多的蜡质附着在油管壁上导致。而是由于泵排量小, 单次刮削下的蜡质多, 无法将其充分排出油管, 多次的二次堆积所造成。为了避免再出现这种情况, 采取了以下措施:将刮蜡周期定为7天, 每进行3-4次刮蜡后立即用热洗泵洗井, 并进行周期加药。在执行了新的刮蜡周期和管理办法后, 该井未再出现过刮蜡下不去的现象。
3 潜油直驱螺杆泵的适用性分析
3.1 螺杆泵的检泵原因
统计萨北油田聚驱 (三元) 螺杆泵近3年检泵井的问题原因发现无论是总体统计还是单独统计损坏周期小于550天的螺杆泵检泵井, 杆问题都是造成检泵的主要因素 (67.2%/65.3%) 。如果计算小修井, 杆问题导致的作业比例会进一步上升。潜油直驱螺杆泵将几百米长的抽油杆缩短为1米左右的双万向节, 连接点数量由100多个减少为几个, 简洁的构造带来了故障点的减少。
3.2 适用产量的装机范围
萨北油田计划试验20口潜油直驱螺杆泵, 分为三种泵型, 理论排量由8.6m3/d到1 7 2.8 m3/d。厂家建议将转速控制在1 0 0-250R p m以内, 参照潜油直驱螺杆泵试验井泵效90%、抽油机50%、普通螺杆泵70%计算, 该设备生产能力上可替代萨北油田全部70m m以下泵径的抽油机和500以下的螺杆泵, 部分83mm泵径的抽油机、800的螺杆泵以及100方的电泵也可考虑使用。
3.3 特殊井况条件
同普通螺杆泵相比, 取消抽油杆即从根本上解决了杆管偏磨问题, 更适合侧斜井的生产。将驱动装置转移至井下, 可以在敏感地区进行高转速生产。光油管结构, 不但改善了油流通道, 也使得潜油直驱螺杆泵可以依靠刮蜡手段机械剥离蜡质, 配合热洗强制排蜡, 更适合于低产井、高含蜡井。
4 潜油直驱螺杆泵的应用前景
4.1 潜油直驱螺杆泵设计上的先进性
单从设计理念上看, 潜油直驱螺杆泵做到了现有技术条件下采出端设备的3个最优:
最优的驱动方式。永磁同步电机可以精确控制电机转速和扭矩。在保证低转速运行、大扭矩输出的同时, 电机转子无感应电流励磁, 减少了对电网的冲击。
最优的传动方式。通过与潜油电机配合使用的柔性轴直驱, 取消了机械减速箱和抽油杆。在减少故障点, 提高油管内的过流面积的同时, 大幅度缩短传动距离, 提高了系统效率, 降低了能耗。
最优的抽汲方式。采用螺杆泵这一容积泵, 泵体内流道简单, 可以连续吸入、排出介质, 具有自吸能力, 单一泵型流量范围宽, 适应介质范围宽。
4.2 潜油直驱螺杆泵的问题点
该设备的隐患点是潜油电机和螺杆泵定子橡胶, 这两处是否出现问题, 与转速有直接关系。
低转速下潜油电机的散热:低转速带来的低排量影响了电机的散热, 电机长期在过热情况下使用, 加速绝缘老化, 导致机组烧或电缆击穿。
高转速下螺杆泵定子橡胶的寿命:转子长时间高转速运转, 导致定子橡胶过热熔胀, 寿命缩短, 甚至直接卡泵。
5 潜油直驱螺杆泵的后续试验
(1) 扩容试验:选择高产井或下小一级泵型, 摸索不同产量、不同采出液性质下的合理转速, 并检验300Rpm以上转速下的设备性能和寿命;
(2) 三元驱试验:在萨北油田三元区块选井, 与现有采出设备对比防腐防卡性能, 探讨在三元区块规模化使用的可行性;
(3) 兼容性试验:将现有或处于试验阶段的螺杆泵安装在直驱潜油电机上, 检验兼容性和生产性能。
摘要：潜油螺杆泵取消了抽油杆, 将驱动装置移至井下, 在继承了地面驱动采油螺杆泵优点的同时, 也克服了其固有的缺陷。北2-356-84是萨北油田第一口潜油螺杆泵, 也是第一口潜油直驱螺杆泵试验井, 投产已有8个月。本文从潜油直驱螺杆泵的基本结构入手, 与螺杆泵进行对比, 分析其在油田的适用性;根据这在生产中出现的问题, 归纳了该设备在日常管理中的注意事项;并提出所应做的后续试验。
直驱螺杆泵 篇5
全球的采油设备多为游梁式抽油机(俗称磕头机),采用通过摆臂驱动“磕头”式的抽油机构实现往复的抽油运动。这种传统结构的抽油设备占到了抽油机安装总数的90%以上,其改良型为使用变频器控制异步电机,使用蜗轮及皮带减速的螺杆泵抽油机,约占抽油机安装总数的10%。
由于三相异步电机的固有特性,当其工作于轻载时,电机效率大为降低。当负载率降至额定负载的50%时,电机效率不足60%,当负载降至额定负载的20%时,电机效率甚至不足20%。轻负载状态下的功率因数也很低(0.2～0.6),因此在稠油井、含气井、含水井工作时,三相异步电机设备极不经济。
异步电机直接启动时,启动电流为额定电流的5～7倍。由于抽油机的井位远离供电主电网,且一般选取配电变压器容量有限,因此启动中较大的电流引起供电电压的下降,1台设备启动过程中电网电压降落可达25～30 V,因而对同一井区有数口采油井(或数台抽油机)共用一个变压器的场合,变压器的装机容量必须足够大。因此,当电网缺相(例如变压器断线,电机内部断线或接触不良造成缺相)时,或在过载发生时,电机极易烧坏。
目前,主流使用磕头机式油井抽油设备普遍存在以下不足。
(1)设备造价高、占地面积大,维护复杂且工作量大。
(2)启动时存在死点,启动电流大,容易造成电网及设备电气损坏,启动时机械冲击也较大,容易造成设备机械损坏。
(3)运行时能耗大、噪音大、机械磨损大。
2 新型油田专用抽油机电机系统的发展方向
为克服油田用三相异步电动机系统的固有技术缺陷,国内外先后研发出多种新型抽油机。抽油机未来技术发展趋势将朝着以下方向发展。
(1)朝着能耗低、重量轻方向发展。近年来,国内外研制与应用了许多新型抽油机。例如,异相型抽油机、前置式抽油机、前置式气平衡抽油机、轮式抽油机、大圈式抽油机、自动平衡抽油机等。
但是以直接驱动式螺杆泵抽油机最为节电和节约材料,与传统的磕头机相比,其节电30%;重量约0.6 t,仅为传统磕头机的1/50;价格便宜,每台售价约6万元,仅是磕头机的1/50。
(2)朝着多功能方向发展。一机多能、高效便捷是抽油机的一个发展方向。多功能抽油机整合油井作业、测试等功能,缩短作业、测试时间,提高抽油机运行效率。
(3)朝着高适应性方向发展。现代抽油机应具有较高的适应性,以便拓宽使用范围。例如,适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要;适应各种成分石油抽汲的需要;适应各种类型油井抽汲的需要;适应深井抽油需要;适应长冲程抽油的需要;适应节电的需要;适应精确平衡的需要;适应无电源和间歇抽油的需要;适应优化抽油的需要等。
(4)朝着自动化和智能化方向发展。近年来,抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。美国Baker提升系统公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自动化抽油机,其具有保护和报警功能,实时测得油井运行参数,及时显示与记录并通过计算机进行综合计算分析,推出最优工况参数,从而有效地指导抽油机以最优工况抽油。
3 油田用直驱式螺杆泵抽油机电机系统概述
一台直驱式螺杆泵抽油机由4个部分组成。①低速大扭矩空心轴交流永磁伺服电动机;②交流伺服驱动器及控制柜;③井口连接底座及抽油杆;④螺杆泵。
直驱式螺杆泵抽油机的前身是由普通三相交流异步电机通过皮带传动,带动机械减速机驱动螺杆泵。由于三相异步电机和减速系统存在能耗高,调整速度不方便,在停电等突发事故时不能锁住抽油杆等缺点,因此被直驱式螺杆泵抽油机淘汰。
由于抽油用的螺杆泵转速一般在50～150 RPM,驱动它所需的转矩约为600～1 500 NM,并需要电机有3倍的峰值转矩,因此需要针对此种低速和大转矩的典型负载工况,在转矩和转速2方面进行优化匹配设计,选择好电机的极对数,以达到电机和泵的最佳运行效率,同时需要设计相应的高效电动机。
直驱式螺杆泵采油机电机取代普通异步机加减速器机构,这要求电机要具备由于取消减速器所带来的转矩提升的能力。
油井附近20 m内由于经常有泄放的天然气,极易被明火点燃,油井口需要选用具备防爆功能的电机。因此,电机在结构设计方面要参照国标对防爆电机的设计标准。
对零部件的选型及材料也有严格的要求。由于电机的转矩高,过载能力强,因此电机的零件强度及轴承设计应能满足现场使用要求。除此之外,电机在工作时承受高达22t的轴向拉力,因此电机的结构要求特殊。现场安装要求电机的体积不能过大,电机的结构优化设计也极为重要为关键。
4 新型电机降低低稀土永磁材料用量的设计及意义
稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属(例如钴、铁等)组成的合金,用粉末冶金方法压型烧结,经磁场充磁后制得的一种磁性材料。稀土永磁分钐钴(SmCo)永磁体和钕铁硼(NdFeB)系永磁体,其中SmCo磁体的磁能积为15～30 MGOe,NdFeB系永磁体的磁能积在27～50 MGOe,被称为“永磁王”,是目前磁性最高的永磁材料。稀土永磁体没有激磁损耗,不发热,用它制造的电机优点很多。因稀土永磁电机没有激磁线圈与铁心,磁体体积较原来磁场极所占空间小,没有损耗,不发热,因此同样输出功率整机的体积,重量可减小30%以上,或者同样体积、重量,但输出功率大50%以上。
直驱式螺杆泵采油机电机的转矩是通过电机转子永磁材料产生的磁场作用到定子电流的力而产生的,这就决定了油田直驱电机必须大量使用永磁材料,而直驱式螺杆泵油机电机采用的永磁材料目前是钕铁硼稀土材料,其包含的材料□钕、镝铁等关键材料在国内储量有限,成本较高。因此,如何降低钕铁硼磁性材料在电机中使用,成为电机设计的关键,进行严格的磁性能优化计算和设计,降低稀土材料的利用,是决定直驱式螺杆泵采油机电机未来能走多远的关键。
在直驱式螺杆泵采油机电机设计中,永磁材料钕铁硼的优化设计非常重要,它的合理有效利用,可以降低电机成本,可以节约稀土磁性材料的利用。钕铁硼材料的设计包括钕铁硼型号的选用、磁钢形状、磁钢位置摆放、磁钢尺寸等。传统的钕铁硼设计是使用经验公式来计算,而经验公式的许多参数属于经验值,只是针对某一特定的结构或形状,不具有普遍性,采用的是场路耦合法进行等效计算,无法保证最终设计结果的优化性及准确性,设计结果和实际电机相差较大,研发周期长,成本高。
为了优化电机的磁路设计,从而优化电机的设计,减少磁钢材料的利使用,采用磁路法和有限元法相结合设计思路对油田直驱电机的电磁场进行分析和计算,使用最新仿真软件,建立永磁同步电机的电磁模型。它使用基于磁路设计旋转电机的软件和基于有限元法的电磁场计算软件。在保证电机性能的情况下,通过改变钕铁硼方向长度和形状,气隙大小等分析,通过2个软件进行仿真对比,从而使电机设计更加合理。特别是使用有限元法仿真来论证磁路法的合理性,最为有效,因为它不仅可以对电机进行稳态仿真,还可以进行瞬态仿真,通过后处理器对电机合理性进行分析。以下为使用有限元法软件仿真的电机磁场云图(如图1所示)、磁力线图(如图2所示)、气隙磁密图(如图3所示)、反电势波形图(如图4所示)。
在总成本控制的前提下,电机对导磁材料、稀土磁钢等关键材料,特别是低用量稀土磁钢材料使用方面,最新的直驱式交流伺服电机比同行产品节约稀土体积重量降低40%,稀土磁钢用量减少30%,用铜量、硅钢片量减少20%,不但提高了驱动器-电动机-螺杆泵的整体效率,还降低了电动机的主体材料消耗。
5 新型电机节能降耗的意义
通过表1的功耗测量数据可知,新型电机相对现有游梁式抽油设备,提高了资源使用的效率,提高产品产出消耗比:从单井耗能上效率提高了1/3以上,线路损耗则节省80%以上。
装置平均节电率高达30%,抽油机设备成本降低60%,每年可为油田节约大量电费,可降低配电变压器容量和输电线路损耗,同时也大大降低日常维护费用。在世界石油资源日益紧缺,以及采油成本不断增加和电力资源短缺的情况下,项目的实施符合国家节能减排、加快转变经济发展方式、产业结构调整等国家产业政策。因此,大力推广使用直驱式螺杆泵驱动装置将带来巨大的效益。
6 结语
新型油田专用直驱式螺杆泵抽油机电机系统已经在大庆油田、辽河油田、克拉玛依油田等油田的配套装机中使用,并获得了较好的使用效果。通过降低永磁的稀土材料的使用量,极大了减少了原材料的浪费,并有效降低使用和安装能耗,从而生产巨大的社会效益和经济效益。
摘要：油田专用直驱式螺杆泵抽油机电机系统的设计,在控制总成本的前提下,对导磁材料、稀土磁钢等关键材料进行苛刻的优化计算和设计,降低了稀土磁钢的使用量。系统采用三相永磁同步低速大扭矩伺服电机,并配套伺服驱动器及控制柜,构成专用智能化抽油控制系统,在低噪音、高效率和节省电能方面具有较大优势。
关键词：新型电机,设计,稀土,节能
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