直流電動機直驅螺桿泵節能效果評價

馮華勝（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

近幾年隨著螺桿泵及相關配套技術的逐步完善，在油田上得到了大量的推廣應用。目前普遍應用的螺桿泵舉升方式存在地面驅動裝置傳動效率低、減速器損壞維修費用高、傳動裝置存在安全隱患等問題，針對這種情況我們試驗應用了直流電動機直拖螺桿泵地面驅動技術。該地面驅動裝置在節能方面有著明顯效果，現場操作起來簡單方便，電動機在驅動程序的控制下工作，可以自動實現軟啟動、軟停機、電磁制動等功能。同時，安全性能也大大提高，直驅式螺桿泵驅動裝置取消了地面驅動裝置的機械減速器和皮帶，減少了傳動裝置，降低了地面故障率。

直驅式螺桿泵驅動裝置的應用，進一步提高驅動系統的可靠性及滿足螺桿泵在不同的工況下對驅動系統要求，完善了螺桿泵井配套工藝技術，對螺桿泵的普及和發展具有重要意義。

1 直流電動機直拖螺桿泵地面驅動裝置系統組成

電動機直拖螺桿泵地面驅動系統由主要有由直流永磁無刷電動機機械驅動裝置和智能控制器兩部分組成。供電線路的交流電通過控制器轉化成直流電來驅動電動機，由電動機直接驅動光桿旋轉，從而驅動井下泵工作，見圖1。

圖1 直拖螺桿泵裝置系統框圖

2 直驅裝置結構及技術特點

2.1 直驅裝置結構及工作原理

直拖螺桿泵地面驅動系統主要由光桿方卡、機械密封、驅動電動機、承重軸承箱和封井器等部分組成。光桿穿過電動機的空心軸，通過方卡子與電動機空心軸聯接。直流電動機的定子上產生的磁場與轉子永磁磁場相互作用而使轉子帶動光桿轉動，把動力直接傳遞到井下抽油桿和螺桿泵來驅動螺桿泵運轉，見圖2。

圖2 直拖螺桿泵裝置示意圖

直驅裝置的驅動電動機采用永磁無刷直流電動機。這種電動機由電動機主體和驅動器組成，電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上鑄有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器，作用是準確地檢測出轉子的位置，并把位置信號發送給智能運算、邏輯控制部分，將直流電壓依次加到電動機的各相上，電動機定子上產生的磁場與轉子永磁磁場相互作用而使轉子轉動。

2.2 技術特點及優勢

永磁無刷直流電動機用電子換向裝置替代了普通直流電動機的機械換向器，解決了普通直流電動機的換向產生火花等問題，它具有結構簡單、運行可靠、維護方便的優點，非常適合螺桿泵的負載特性，見圖3。

圖3 直拖螺桿泵驅動與普通驅動裝置

1）功率因數高。電動機轉子的磁場是永磁的，不需要從電網吸收無功功率，所以功率因數接近1，節能效果顯著。

2）調速性能好。實現了電動機的無級調速，轉速可由0min-1到200min-1之間任意調整，比變頻調速方式更方便、穩定。

3）運轉穩定性好。直驅裝置的重心與光桿重合，對中性好，與電動機側置式裝置相比，高速運轉的穩定性更好。

4）電動機啟動轉矩大。啟動轉矩可為額定轉矩的3～4倍，可保證螺桿泵的順利啟動。

5）可靠的防反轉系統。它由電磁牽制，過壓釋放和能耗制動三級組成。剎車為能耗制動方式，停機時光桿的彈性恢復力使光桿反轉，從而帶動電動機反轉，剎車電阻及時投入，消耗電動機反轉能量，從而達到抑制電動機反轉的目的，使系統運行更安全可靠。

3 應用效果評價

截止目前廠共更換螺桿泵直驅裝置63口井，其中由抽油機改為螺桿泵使用12口井，螺桿泵普通驅動更換為直驅驅動裝置51口井。通過統計試驗數據表明，消耗功率由7.32kW下降到5.13kW，下降了2.19kW，平均噸液百米耗電由1.02kWh下降到0.75kWh，下降了0.27kWh，平均綜合節電率達26.5%，節能效果明顯。

3.1 節能效果評價

對兩種更換方式進行了分別對比，通過對由抽油機改為螺桿泵12口井更換前后進行能耗數據對比來看，消耗功率由7.93kW下降到5.50kW，下降了2.43kW，噸液百米耗電由1.17kWh下降到0.72 kWh，下降了0.45kWh，平均綜合節電率達38.5%,應用螺桿泵直驅裝置與抽油機舉升方式相比節能效果很顯著。

對普通螺桿泵更換直驅前后能耗數據對比，消耗功率由6.39kW下降到4.03kW，下降了2.36 kW，平均噸液百米耗電由0.97kWh下降到0.76 kWh，下降了0.21kWh，平均綜合節電率達21.6%,螺桿泵直驅裝置與普通驅動相比也有很好的節能效果。對普通螺桿泵驅動裝置更換為直驅裝置后，針對不同級別的泵型進行詳細分類對比分析，從統計數據分析，小泵型、低產液井比大泵型、高產液井節電效果好，節電率相對較高，具體數據見表1。

3.2 螺桿泵直驅裝置綜合效益評價

對螺桿泵直驅裝置與普通螺桿泵及10型抽油機三種舉升設備進行經濟效益分析，一次性投入費用分別為：抽油機為38.41萬元，普通螺桿泵為23.28萬元，螺桿泵直驅裝置為25.18萬元，螺桿泵直驅裝置代替普通螺桿泵的驅動頭和變頻，增加地面設備投入費用1.9萬元，一次性投概算見表2。

表1 螺桿泵地面直驅裝置與普通驅動生產運行數據對比

表2 一次性投資概算單位：萬元

通過統計近幾年的平均檢泵周期及檢泵頻率，計算出年平均投入的作業費用和作業時更新的桿管數量，同時一次性投資的設備也可以按照壽命折算到平均年消耗，再加上耗電費用和維修費用即可得到年平均投入。抽油機使用壽命為15a，螺桿泵直驅裝置與普通地面部分的使用壽命都按8a，直驅裝置平均年增加地面投入0.2萬元；直驅裝置與普通螺桿泵地面驅動能耗對比節電率為21.6%，平均年節電1.87萬元；由于直驅裝置取消了普通地面驅動裝置的機械減速器和皮帶，維修費用很低。通過對比三種舉升方式平均年消耗費用，直驅裝置與抽油機相比平均年消耗費用減少4.49萬元，與普通地面驅動裝置相比平均年消耗費用減少2.02萬元，因此通過綜合效益對比，采用螺桿泵直驅裝置能夠取得很好的經濟效益。

4 結論和認識

1）直流電動機直拖螺桿泵地面驅動裝置電動機轉子的磁場是永磁的，不需要從電網吸收無功功率，功率因數接近1，平均綜合節電率達到26.5%。

2）通過對三種舉升設備的投入費用和日常維護費用進行綜合經濟效果評價，螺桿泵直驅裝置平均年可節省費用2萬元，因此采用該舉升設備能夠有效地降低油井采出成本。

3）直流電動機直拖螺桿泵地面驅動系統簡化了原機械式螺桿泵地面上的驅動部分，無需減速箱和皮帶傳動裝置，可以實現電動機的無級調速，易于操作，管理方便，減少了地面驅動生產維護費用，減輕了采油工人的勞動強度。

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