直驅螺桿泵三相異步電動機與電腦控制箱的應用

張景偵（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

直驅螺桿泵三相異步電動機與電腦控制箱的應用

張景偵（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

螺桿泵采油是近十多年迅速發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、高含水以及低產液井的原油開采，能有效地克服氣鎖、砂卡等現象。采油試驗表明 ， 螺 桿 泵 的 平 均 總 效 率 達 到 63.4%， 比 游 梁 式 抽 油 機 高 13%， 比 電 潛 泵 高 50%， 地 面 螺 桿 泵 比抽油機提高產油率 23.5%。直驅螺桿泵具有節能高效、體積小、質量輕、安裝方便、井口占地面積小、一次性投資及運行費用低和便于管理等優點，而新型的三相異步電動機、電腦控制箱的應用在一定程度上節省了螺桿泵維修、調參的時間。

直驅螺桿泵 三相異步電動機 電腦控制箱 節能

我國傳統的螺桿泵直驅系統一般采用永磁同步電動機。永磁同步電動機不能長期在振動、沖擊、高低溫、濕熱等較為惡劣的環境下運行，存在最大轉矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉速受限制，功率較小和起動困難等缺點，并且永磁同步電動機結構較異步電動機復雜，成本較高。正常工作時處于低負荷狀態，而啟動時又需要高轉矩，降低了其使用壽命。

螺桿泵三相異步交流電動機直拖系統，改變了常規螺桿泵驅動頭使用減速器和皮帶的傳動方式，新設計為三相異步交流電動機直接驅動，電動機驅動控制裝置通過輸入指令進行設置，實現了電動機速度預設置、實時速度調節、驅動轉矩調節、軟啟動、軟停機等功能，從而實現對螺桿泵負載的直接驅動。

1 螺桿泵三相異步交流電動機直拖系統的特點

螺桿泵三相異步交流電動機直拖系統，是根據地面驅動螺桿泵的工作原理，結合油田的開采條件以及地下流體的特性運用先進的現代生產工藝，結合目前先進的三相異步交流電動機的伺服驅動技術而開發出的具有國際領先水平的直驅螺桿泵節能控制裝置。

其功能特點為：

1）該技術采用三相異步電動機驅動螺桿泵，具有使用壽命長、節能效果顯著、設備運轉平穩性增強、操作簡單、價格低廉、維護費用降低及可有效避免永磁電動機夏季溫升過高等技術優勢。

2）伺服控 制 系統配 用觸摸 屏 對控制 器 進行 參數調整。在觸摸屏參數設置里可直接調整參數，操作簡單方便。全頻域范圍內的精確速度控制，速度控制精度可達±0.1%，最低運行速度 0.3r/min。

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

4）防反轉 功 能，該 伺服控 制 系統具 有 低速 大扭矩輸出功能、零速鎖軸功能和母線電壓實時檢測功能，實現直驅螺桿泵減速停機。

5）伺服控 制 系統無 需加裝 補 償電容 ， 可將 電網的 功 率 因 數 提高到 0.9 以 上，節省 輸 配 電 投 資。

6）伺服驅動器具有過電壓、過電流、短路、缺相、超載、反轉、系統溫升過高等保護功能，可實現各種參量顯示（轉速、電流、轉矩等），方便操作人員了解油井工作情況，確保油井的安全運行，實現采油管理的智能化。

7）可實現 軟 啟動、 軟停車 、 反轉制 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，提高了設備的使用率。

8）系 統 采用國 際 領先的 空 間矢 量 算法， 抑 制了諧波的產生。系統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。

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

表1 某區某井試驗數據對比

從試驗數據上看，螺桿泵三相異步交流伺服電動機直拖系統產品在有功功率、無功功率、功率因數方面都較永磁電動機直驅拖動裝置產品有很大的提高。功率因數提高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 90r/min 與 永 磁電動 機 70r/min參數對比見表2。

表2 某區某井試驗數據對比

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

螺桿泵三相異步電動機的技術特點是：

1）結 構 緊 湊 ， 直 接 將 輸 出 轉 矩 傳 遞 給 螺 桿泵，省去了現有螺桿泵抽油機復雜的皮帶減速傳動裝置、齒輪箱減速傳動裝置和防反轉制動機構，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 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，使重載啟動更平穩，對電動機和抽油桿沖擊更小，減小設備維護量。

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

4）雙 DSP+FPGA 設 計 實 現 了 高 速 的 運 算 能力。能夠進行大規模數學模型運算，實現了對電流與轉矩的實時監控與分析，可完成精確的動態調整。

5） USB、 RS232、 RS485、 Ethernet/ip、CANOPEN等通信接口可方便地實現數據備份、打印、傳輸，并可輕松實現集中遠程監控。

2 螺桿泵異步交流伺服電動機直拖系統構成與工作原理

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

地面驅動裝置是由驅動部分（空心軸直驅伺服電動機）、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成）和封井器組成。采用直驅方式，省去了皮帶和齒輪傳動部分，通過傳動軸將轉矩直接加載到驅動桿上，大大地增加了系統的工作效率。

螺桿泵三相異步交流電動機直拖系統是總結了以往螺桿泵各種電氣控制系統的經驗，結合現代先進的伺服控制技術研制的新型直驅螺桿泵控制系統，該系統具有自動化程度高、操作簡單、節能高效等特點。

螺桿泵異步交流伺服電動機直拖系統主要由異步交流伺服電動機和伺服控制器構成。

系統各部分功能見圖1。

圖1 螺桿泵三相異步交流電動機直拖系統構成

系統電動機采用空心軸設計，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，從而實現光桿與電動機空心軸的同步旋轉。加上精確的力矩和速度控制，避免了斷桿、反轉脫扣等問題，使螺桿泵采油量與油井供油量始終處于最佳匹配狀態。制動方面，加強了電磁牽制控制強度、配有制動單元及制動電阻完成正常的防反轉控制；當防反轉控制失效或系統掉電時自動進入能耗制動方式，使防反轉控制更加可靠。

伺服控制系統通過檢測電動機的輸出轉矩并經伺服內部高速DSP的綜合分析，將調節值轉換成電動機的輸出轉速，驅動電動機運轉。通過檢測抽油桿所受到的扭矩變化，實時調節轉速，實現速度的靈活方便調整，使螺桿泵始終工作在最佳狀態，使能源利用率達到最高。

3 認識

通過對螺桿泵三相異步電動機的現場應用和對比，對三相異步電動機及電腦控制柜有以下幾點認識：

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

2）電腦控 制 柜功能 更為強 大 ，觸屏 式 操控 能直觀地顯示電流、電壓、扭矩等多項數據，并可根據油田生產需要快速更改及添加其地面監控數據。

3）電動機 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、準確，從而不會導致軸承因缺油而磨損電動機。

4）電腦觸 屏 控制柜 內的多 項 數據綜 合 分析 可不憋泵準確判斷桿斷及泵運行情況。

5）三相電 動 機護罩 外形尺 寸 更為合 理 ，其 材質更精良，外壁更厚，鋼性更強，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].中外企業家, 2012(8):138.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.012.010

2013-06-25）

張景偵，2005年畢業于大慶職業大學（采油工程專業），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任公司第五采油廠第一油礦，163511。