螺桿泵永磁電機驅動裝置的設計及應用

王海濤

（大慶油田裝備制造集團 生產管理部，黑龍江 大慶 163411）

0 引言

螺桿泵是近些年新發展起來的一種新型機械采油技術，具有投資小、占地面積小、操作方便等優點。但是，目前油田現用的螺桿泵驅動裝置還存在一定的不足：能耗大，機械式棘輪棘爪防反轉裝置的操作有安全隱患，光桿密封漏油，機械密封檢修拆卸困難，驅動裝置運行時振動大等問題。針對上述問題，為了能夠進一步降低抽油機的能耗以及油井設備維護和修井成本，設計研制出了新型螺桿泵永磁電機驅動裝置，并在油田現場進行了應用。

1 螺桿泵永磁電機驅動裝置的設計

1.1 永磁無刷交流電機設計

永磁無刷交流電機設計成功與否是整個設計的關鍵，也是設計的難點。永磁無刷交流電機的磁鋼采用面貼式結構，永磁材料為燒結釹鐵硼，耐溫180 ℃以上。由于電機的轉速較低（小于250 r/min），轉子上的磁鋼無需采取特殊的綁扎工藝，用膠水和機械方法加以固定即可。采用分數槽繞組和斜槽，可以使空載電勢波形為正弦波，保證平穩低速運轉，以減少振動。在額定轉速的一半以下時，永磁無刷交流電機的過載倍數可提高至3 倍以上。同時傳感器安置在端蓋上，還便于更換和維修。

1.2 專用驅動器設計

專用驅動器所用的電源為380 V 交流電網。通過3個電抗器組成濾波器，這樣可以避免電網和整流逆變兩部分之間高次諧波的影響。整流部分經電容濾波后供給作為逆變部分。通過單片微處理器接受電機電流采樣、轉子位置等信號進行控制。系統控制生成逆變部分中IGBT功率模塊的開關信號。剎車部分則由三相電阻及開關電路構成。

專用驅動器的過載倍數通常可以達到普通變頻器的3 倍以上，這樣可以保證永磁無刷交流電機達到設計的轉矩倍數。鑒于電機的野外工作環境具有一定的不確定性，高分辨率的光學編碼器等傳感器根本無法實現有效控制。針對這一問題，通過對比研究，選取了霍爾傳感器，利用磁場實現有效定向控制。同時，通過調節電機的速度及過載電流，使其適應不同的井況，控制、識別驅動器的負載轉矩，判斷螺桿泵的工作狀態。

1.3 軟剎車設計

地面驅動裝置在正向轉矩的作用下，光桿以100～300 r/min 的速度旋轉，當螺桿泵停泵檢修或意外停電等情況下，抽油桿柱的彈性勢能及油管內油套環空液面的高度差造成螺桿泵反轉，如不加防反轉裝置，勢必造成螺桿泵轉子反轉將泵卡死或使抽油桿柱脫扣，損壞井口裝置，嚴重時會傷害施工人員。傳統機械式棘輪棘爪防反轉裝置由于結構簡單而得到廣泛應用，但由于棘爪外露且高速旋轉，存在再次啟動時啟動初始力矩過大導致的啟動沖擊、修井作業時必須釋放泵桿彈性等問題，其可靠性較差，操作復雜，從而易造成設備損壞等生產事故。螺桿泵永磁電機驅動裝置在控制箱內設計有能耗電阻和獨立的剎車控制器，并采用電氣控制。當停機時（或系統掉電），泵桿的彈性得到釋放，進而拖動永磁電機反轉，接通剎車電阻。泵桿反轉的加速度越大，電阻吸收的能量就越多，制動力矩就越大，使泵桿越快回到初始狀態。這樣解決了再次啟動時初始啟動力矩過大、修井作業時出現的反轉問題，與傳統機械式剎車相比，具有更高的靠性和安全性。

1.4 機械密封的設計

機械密封設計成功與否是整個設計的關鍵，油田現用驅動裝置下置式密封檢修維護困難，光桿旋轉帶來的周期性振動使得這種密封效果不理想，無法實現長期有效的密封，一旦泄漏雖可更換，但更換非常不便，需吊車把減速器吊起后才能進行更換，現場管理困難。針對這種缺點，我們把密封結構設計在永磁電機減速箱的上部，密封的靜環和動環均為硬質合金，且具有線膨脹系數小、組對性能好、摩擦因數低和耐磨損、耐高溫等綜合優點，密封腔體內的彈簧使動、靜環緊密貼合，達到密封的目的。這種密封結構的優點：1）機械密封上置，當停機檢修時，操作者不必動用吊車起吊減速器箱體后，再更換密封裝置，只要卸下端蓋就可更換密封，操作極其簡便。2）機械密封設計在箱體上部，使其距光桿卡子的距離比與原來的驅動裝置相比大大減小，這樣光桿旋轉時，由于周期性旋轉振動對密封所造成的摩擦損壞大大降低，改善了密封的工作條件，從而有效延長了密封壽命。3）“低矮設計”，永磁電機箱體通過螺栓直接安裝在封井器上端，去掉了支架裝置，降低機組高度，結構更加緊湊，提高了地面設備運行的穩定性，且方便維修和作業。

2 現場應用情況

到目前為止，已有26 套驅動裝置在油田進行了應用。螺桿泵永磁電機驅動裝置采油與抽油機采油節能效果對比如表1 所示。

表1 螺桿泵永磁電機驅動裝置采油與抽油機采油節能效果對比

3 結語

通過分析，可看出新型直驅式螺桿泵采油比傳統抽油機采油直接節電率提高20%以上。而且，通過與抽油機采用的異步電機輸出功率相比，采用永磁無刷直流電機后，輸出功率只需要原來的14%左右，節能效果大大提高。

［1］韓修廷，王秀玲.螺桿泵采油原理及應用［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998：87-90.

［2］陳友高.螺桿泵采油工藝技術應用探究［J］.化工管理，2013（16）：237.

［3］趙永仁.國內螺桿泵自動化采油技術趨勢［J］.科技創新與應用，2013（25）：122.