ZLBQ55型直驅式螺桿泵驅動裝置設計

陳曉軍,王興燕

(北京石油機械廠,北京100083)

ZLBQ55型直驅式螺桿泵驅動裝置設計

陳曉軍,王興燕

(北京石油機械廠,北京100083)

直驅式螺桿泵驅動裝置是國內新出現的一種螺桿泵地面驅動裝置,設計的ZLBQ55型直驅式螺桿泵驅動裝置與常規地面驅動裝置異步電機+減速機構的驅動方式不同,是利用低速、大扭矩電機直接驅動抽油桿柱。介紹了該裝置的設計參數、結構、控制系統和整機試驗。

螺桿泵;直驅;設計

常規電驅動螺桿泵地面驅動裝置采用異步電機作為原動機,通過皮帶輪和錐齒輪減速機構減速后驅動抽油桿柱。這種驅動裝置雖然具有結構簡單、機械效率高、占地面積小等優勢,但在實際使用中仍存在一些問題,如中間減速機構機械損失較高,最大可達15%;電機偏置使驅動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;系統零部件多,維護困難等。使用低速大扭矩電機直接驅動抽油桿柱,可解決這些問題[1]。研發的直驅式螺桿泵驅動裝置(以下簡稱直驅裝置)用永磁同步電機作為低速電機,采用交流變頻調速方式,利用永磁電機反轉即發電機原理和能耗電阻消耗掉系統反轉產生的電能,實現低速大扭矩電機直接驅動抽油桿柱。

1 基本參數

北京石油機械廠(以下簡稱北石廠)采油螺桿泵系列產品主要出口到蘇丹、埃及、印尼等國家和地區。蘇丹地區的油井具有產液量高、含砂量高、原油黏度大等特點,因此普遍使用較大功率的螺桿泵驅動裝置,其中以55 kW驅動裝置最為常用。為滿足該地區使用需求,直驅裝置設計基本參數為電機功率55 kW,額定轉速250 r/min,額定載荷150 kN。

2 直驅電機及控制器[2]

直驅裝置的關鍵是直驅電機。在設計之初考慮使用空心軸異步電機,通過增加電機極數、降低電機頻率的方法來降低電機轉速。這種方法的優點是電機仍為三相異步電機,可以通用變頻器對電機進行控制,技術成熟可靠。缺點是體積龐大,價格昂貴。永磁同步電機是通過增加定子極數來降低額定頻率,使用永磁體替代轉子線圈的方法可實現電機的低速運轉。這種方法的優點是電機體積相對較小,電機采用永磁體,轉子和定子同步運轉,功率因數高,在額定轉速范圍內均為高效區,更加節能環保。缺點是電機永磁體在長期高溫或震動環境下工作容易退磁,電機一次性投入較高,必須采用專用變頻器控制才能啟動電機。

國內已有直驅裝置采用永磁同步電機。永磁同步電機分為永磁無刷直流電機和永磁交流同步電機2種。永磁無刷直流電機特性類似于常規的直流電機,機械特性曲線為斜線,隨著轉速的增加輸出扭矩減小,采用專用的方波控制器控制電機轉速。優點是電機調速方便,控制器結構簡單;缺點是功率不易做大,低速運轉磁場有脈動。永磁交流同步電動機特性類似于常規的異步變頻電機,機械特性曲線為直線,在額定轉速范圍內能保持恒扭矩輸出,采用專用的變頻器進行控制。優點是電機結構及控制技術成熟可靠,電機頻率與速度同步;缺點是控制器成本較高。

綜合考慮以上因素,直驅裝置電機采用永磁交流同步電機。為提高系統可靠性,電機與裝置的其他部分相對獨立,并針對油田現場提出了防爆要求。

3 結構設計

3.1 結構

螺桿泵驅動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。國內直驅裝置通常采用電機內部軸承直接承受軸向載荷和潤滑脂潤滑軸承方式,該設計的弊端是使直驅電機成為主承載件,主軸承采用脂潤滑方式冷卻效果差,增大了故障發生的幾率。為此,設計了傳動空心軸,在電機軸與光桿之間傳遞扭矩并承受系統的軸向載荷,并最終作用在箱體內的主軸承上,而電機只傳遞扭矩載荷。直驅裝置主要由低速電機、傳動空心軸、主軸承、軸承箱、底座法蘭和密封盒等組成,如圖1。

圖1 直驅電機式驅動裝置

3.2 工作原理

低速電機通過可靠的連接方式與傳動空心軸連接,傳動空心軸通過扭矩卡瓦與光桿連接。系統工作時,電機將扭矩傳遞給傳動空心軸,傳動空心軸再將扭矩通過扭矩卡瓦傳遞給光桿,帶動井下桿柱旋轉。傳動空心軸的主軸承承受系統軸向載荷,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。電機只傳遞扭矩載荷,減少了電機的故障幾率。

3.3 傳動空心軸強度計算

傳動空心軸是直驅裝置的主承載件,不僅要傳遞電機輸出的扭矩,還要承受井下桿柱及采出液產生的軸向載荷,受力情況較復雜。用ANSYS有限元軟件對傳動空心軸進行靜載荷作用下的應力分析[3]和校核強度。

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 傳動空心軸加載情況

3.3.2 結果分析

傳動空心軸在靜載荷作用下的Mises應力分布如圖3。

圖3 傳動空心軸Mises應力分布

由圖3可見,傳動空心軸的最大應力為179 MPa,位于四方根部附近,其值遠低于材料的屈服極限[4],所以傳動空心軸的設計是安全可靠的。

4 控制系統

直驅裝置采用的永磁交流同步電機必須使用專用變頻柜進行控制。變頻柜內的變頻器可實現電機的軟啟動、軟停車和平滑調速,并對電器的過壓、過流、短路等故障具有保護功能;變頻柜的外部電路能實現對井口壓力的開關和電機內置PTC電阻的監控。在變頻柜內內置制動電阻,當系統停機時,通過外部電路的常閉交流接觸器使電機立即切換到制動電阻回路中,將電機反轉產生的電能在制動電阻上消耗掉。

5 試驗情況

為保證直驅裝置各部件達到設計要求,對直驅裝置及變頻柜進行聯調試驗。

a) 對電機性能及變頻柜功能進行試驗驗證。直驅電機最大負載加至3 003 N·m,最大轉速為300 r/min,電機表現正常。

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) 為驗證變頻柜的能耗制動功能,在電機軸端連接了飛輪裝置,通過電機停機時的慣性旋轉來模擬實際工作中井下抽油桿柱所儲存的彈性勢能。試驗表明,飛輪旋轉能量能在數秒內通過制動電阻消耗完,滿足設計要求。

d) 對直驅裝置的發熱、噪聲、盤根泄漏量、傳動空心軸徑向跳動等項目進行了檢驗,該結構設計大大降低了系統的噪聲和盤根盒泄漏量。

6 結論

1) ZLBQ55型直驅裝置結構設計合理,整體技術水平較高。

2) 采用的永磁交流同步電機及其控制裝置技術成熟,系統效率高。

3) 直驅裝置占地面積小,維護件少,系統對稱無偏置,能提高盤根的密封性,減少光桿偏磨的效果明顯。

4) 制動方式設計巧妙,安全可靠。

[1] 孫 雙,鄧 輝,馬永剛,等.新型螺桿泵直驅驅動裝置整機的振動分析[J].石油礦場機械,2008,37(7):42-45.

[2] 李鐘明.稀土永磁電機[M].北京:國防工業出版社, 1999.

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

[4] 劉鴻文.材料力學[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年畢業于大慶石油學院,主要從事采油機械設計工作。