伺服電機系統(tǒng)提高螺桿泵驅(qū)動裝置的節(jié)能效果

羅艷紅

摘 要：伺服直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動裝置與傳統(tǒng)液壓驅(qū)動裝置最大的區(qū)別除了剎車方式的改變以外，更體現(xiàn)在伺服系統(tǒng)省略了傳動箱的設(shè)計，避免了傳動系統(tǒng)中能量的損耗，因而降低了耗電量。主要介紹了伺服電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及優(yōu)點、應(yīng)用效果和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電機；系統(tǒng)；螺桿泵；節(jié)能

前言

由于螺桿泵在錦州采油廠應(yīng)用較為廣泛，并且大多數(shù)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置[1]或液壓防反轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置[2]，管理難度較大，運動部件多，節(jié)能效果也受到一定限制。因此，利用伺服電機系統(tǒng)提高螺桿泵驅(qū)動裝置的節(jié)能效果具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)及原理

伺服電機系統(tǒng)（以下簡稱直驅(qū)裝置）由驅(qū)動器和專用控制柜組成。驅(qū)動器主要由永磁電機[3]、方卡子、密封盒、軸承箱、井口底座、封井器等部件組成。專用控制柜主要由控制器、操作面板、泄放電阻、空氣開關(guān)、交流接觸器、加熱管等組成。直驅(qū)驅(qū)動裝置[4]采用高效節(jié)能的永磁電機提供動力，該裝置可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級智能調(diào)速，具有結(jié)構(gòu)簡單、無皮帶等傳動機構(gòu)，傳動效率高、維護(hù)維修費用低、噪音低、無泄漏等優(yōu)點。

當(dāng)按下“停機”按鈕正常停機時，控制器開始按預(yù)定梯度將電機正向轉(zhuǎn)速降為0，如果此時檢測到的負(fù)載驅(qū)動扭矩（抽油桿及螺桿泵彈性扭矩）大于電機額定扭矩的10%（如1000NM電機對應(yīng)的檢測值為100NM），則控制器驅(qū)動電機反向勻加速至額定轉(zhuǎn)速的10%（如350RPM的電機反向轉(zhuǎn)速為35RPM）并持續(xù)進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動以釋放能量，直到當(dāng)負(fù)載驅(qū)動扭矩小于預(yù)定值時，控制器關(guān)閉運行，并自動短接電機繞組，利用永磁同步電機固有的轉(zhuǎn)動——發(fā)電——制動功能繼續(xù)在無源的情況下減緩的彈性反轉(zhuǎn)，做到既能緩慢釋放彈性力，又不至于造成抽油桿脫扣。在螺桿泵下次起動時，初始起動力矩很小，便于起動，修井作業(yè)也不會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)問題。這種扭矩釋放方式既能在較短時間內(nèi)穩(wěn)定停機，又能有效防止失控反轉(zhuǎn)造成抽油桿脫扣事故。

當(dāng)由于負(fù)載原因出現(xiàn)過載、過熱等故障時，如系統(tǒng)尚能繼續(xù)運轉(zhuǎn)，則首先啟動上述停機流程，再進(jìn)入過載保護(hù)、過熱保護(hù)等報警保護(hù)狀態(tài)；如系統(tǒng)已不能繼續(xù)運轉(zhuǎn)，則自動關(guān)閉運行，接觸器自動短接電機繞組實現(xiàn)下述制動流程：

當(dāng)停電、控制器出現(xiàn)不能繼續(xù)運行的保護(hù)狀態(tài)或控制器已壞處于不可控電機狀態(tài)時，接觸器自動短接電機繞組實現(xiàn)快速制動，以保證不出安全事故，但此時抽油桿彈性勢能較大，無法啟動主動釋放動作，需較長時間短接制動才能釋放完能量。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電且控制器正常工作時，可以正常啟動。

2 優(yōu)點

承重軸承安裝在潤滑油池內(nèi)，承重軸承軸向可承受10t的拉（壓）力，并且油池與電機間設(shè)有油封，防止?jié)櫥瓦M(jìn)入電機定子，降低了軸承溫度，延長了壽命。

采用專用永磁同步電機，電機結(jié)構(gòu)為空心軸，系統(tǒng)配有專用控制器，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級智能調(diào)速；并能精確的控制力矩和速度，避免了斷桿、反轉(zhuǎn)脫扣等問題。

采用兩套安全可靠的剎車系統(tǒng)防止倒轉(zhuǎn)，并能根據(jù)井況及扭矩的不同調(diào)節(jié)相應(yīng)的剎車電阻值，使扭矩完全釋放。

3 現(xiàn)場實施情況

伺服電機系統(tǒng)首先在錦2-丙5-2416井上試驗。

錦2-丙5-2416井，抽油機生產(chǎn)時日產(chǎn)液55m3，日耗電106.6度。8月8日轉(zhuǎn)用直驅(qū)裝置配合GLB1100-16t螺桿泵生產(chǎn)，泵掛806米，日產(chǎn)液50.1m3，日耗電51.5度。將該井使用螺桿泵生產(chǎn)前后的產(chǎn)液單耗進(jìn)行對比，日耗電量減少55.1度。8月11日調(diào)參至50轉(zhuǎn)/分，日產(chǎn)液量上升至90.1m3，現(xiàn)場測試日耗電量62.3度，效果非常理想，目前該井運行平穩(wěn)。

2012年應(yīng)用伺服電機系統(tǒng)在錦州采油廠錦16、錦99、錦45、錦626等區(qū)塊實施了23口，目前已經(jīng)對16口油井進(jìn)行了能耗測試，其中10口油井可進(jìn)行節(jié)能對比，總體效果較好，只有3口油井未達(dá)到節(jié)電目的，分別為14-503側(cè)2（連測2次均不節(jié)電）、12-3側(cè)（作業(yè)異常待重復(fù)測試）、15-03側(cè)，節(jié)電效果最好的7-006，測試表明產(chǎn)液單耗下降5.67，下降了83.7%。平均單井產(chǎn)液單耗降低0.59度/m3。

4 經(jīng)濟(jì)效益

4.1 該伺服系統(tǒng)省略了傳動箱的設(shè)計，避免了傳動系統(tǒng)中能量的損耗，因而降低了耗電量。

4.2 今年應(yīng)用伺服電機系統(tǒng)實施了23口井，累計產(chǎn)液65945 m3，平均單井產(chǎn)液單耗降低0.59度/m3，如果平均按1個月生產(chǎn)，電費按0.51元/度。

節(jié)電量=70442×0.59×30=1167226.5度

5 應(yīng)用范圍及前景

利用伺服電機螺桿泵驅(qū)動裝置給生產(chǎn)管理帶來了很大方便，其潛在的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益也是很明顯的。伺服電機螺桿泵驅(qū)動裝置的廣泛應(yīng)用必將為我廠節(jié)能減排和原油上產(chǎn)做出積極的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]程貴華，唐建平，等.機械式防反轉(zhuǎn)機構(gòu)在螺桿泵上的應(yīng)用.石油礦場機械，2002，（04）.

[2]范海濤，呂玉興，等.GBF型螺桿泵地面驅(qū)動裝置的研制及應(yīng)用.石油機械，2004，（04）.

[3]孫雙，樸雪峰，等.螺桿泵環(huán)空測試永磁電動機直驅(qū)驅(qū)動裝置.石油機械，2011，（10）.

[4]楊永華，鄭學(xué)成，等.機械密封上置式螺桿泵地面驅(qū)動裝置研制[J].石油機械，2004，（02）.