螺桿泵開關磁阻地面直驅裝置

閆寒 張麗（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

目前，油田上的地面驅動螺桿泵采油系統采用三相異步電動機和永磁電動機作為動力源。應用三相異步電動機作為動力源的螺桿泵采油系統，由于存在皮帶傳動系統及齒輪減速系統，不但維護費用較高，而且傳動效率較低。應用永磁電動機作為動力源的螺桿泵采油系統采用永磁體鐵芯，長時間使用會退磁，發熱量大；且隨著永磁材料價格攀升，制造成本大幅上升，該系統的性價比隨之降低[1-4]。

針對上述問題，提出了研究開關磁阻直驅驅動的技術思路，優選高效成熟的電動機技術；它具有傳動效率高，節能效果好，沒有永磁體，沒有退磁風險，發熱低等優勢。

1 螺桿泵開關磁阻地面直驅裝置的組成

螺桿泵開關磁阻地面驅動裝置如圖1 所示。

1）立式開關磁阻直驅電動機：采用常規開關磁阻電動機技術，技術成熟且電動機效率高。考慮到直驅電動機軸向承載軸承的冷卻問題，設計了1個2.5 kg 左右的冷卻油箱對承載軸承進行冷卻潤滑。將該電動機立式直接安裝于井口，減少了故障點，減少了減速系統過程損耗，運行平穩。

2）延時軟啟動、停機防抽空變頻控制器：利用變頻控制技術實現立式開關磁阻直驅電動機延時軟啟動，軟停機；防抽空控制功能配備電參數分析裝置，根據功率、扭矩變化的大小自動反映螺桿泵井工作狀態，在供液嚴重不足的情況下及時調整工作參數，實現保護功能。

圖1 螺桿泵開關磁阻地面驅動裝置示意圖

3）螺桿泵抽油桿電氣反轉控制功能：當手動停機或智能控制器對電動機施加保護停機時電氣反轉控制系統開始工作；電磁牽制防反轉控制軟件不斷對電動機的轉速和轉向進行檢測，一旦發現反轉立即對反轉的速度及角度進行測量，計算制動需要的強度，然后施加制動力。隨著電動機反轉速度的不斷降低，制動力也不斷降低，直至停機。

4）研發的開關磁阻地面直驅電動機主要技術參數如下所述：

◇電動機繞組相數3 相，額定功率22 kW，額定轉速200 r/min；

◇適應的環境溫度-30～30 ℃，防爆等級F級，變頻調速范圍在50～200 r/min 之間；

◇抽油桿反轉電磁制動，制動時間20～200 s可調；

◇軸向承載軸承額定載荷25 t。

2 實驗室傳動效率測試

2.1 測試原則

為了對比開關磁阻螺桿泵直驅驅動與目前油田廣泛采用的其他螺桿泵驅動設備性能上的不同[5-7]，按輸入-輸出法選取了3 種設備進行室內檢測實驗。該實驗在額定電壓和額定轉速下，按軸向負荷100%，額定扭矩25%、50%、75%、100%、125%加載，測算裝置的傳動效率。

2.2 測試結果

如圖2 所示，當扭矩范圍在200～800 Nm 之間時，開關磁阻直驅傳動效率為74%～78.8%，異步直驅傳動效率為45%～49.4%，普驅為38%～57%。

圖2 60 r/min 條件下的扭矩-傳動效率曲線

如圖3 所示，當扭矩范圍在100～800 Nm 之間時，開關磁阻直驅傳動效率為70%～81.79%，異步直驅傳動效率為46%～58.5%，普驅為28%～60%。

如圖4 所示，當扭矩范圍在200～800 Nm 之間時，開關磁阻直驅傳動效率為76%～85%，異步直驅傳動效率為57%～67%，普驅為43%～60%。

圖3 90 r/min 條件下的扭矩-傳動效率曲線

圖4 150 r/min 條件下的扭矩-傳動效率曲線

3 現場應用效果

2014年3月，4 臺樣機投入了現場試驗。經過近1年的運行檢驗表明，樣機運行噪音偏大，但整機震動小平穩可靠，啟停機沖擊小。抽油桿防反轉制動器滿足了螺桿泵停機后扭矩的平穩釋放。年內不需維護，節省了維護費用。

該裝置與永磁直驅裝置相似，與普通驅動相比減少了減速中間環節，減小了能量損失，有效降低裝機功率。同時還分別與常規地面驅動裝置及永磁直驅驅動裝置進行了前后對比測試，與常規配置電動機相比，節電15%以上；與永磁直驅驅動對比，耗電量基本相同。4 口井的現場測試效果見表1。

4 結論

1）螺桿泵開關磁阻地面直驅裝置傳動效率高，節能效果好；電動機沒有永磁體，沒有退磁風險；價格穩定。

表1 螺桿泵開關磁阻地面直驅裝置應用效果

2）開關磁阻地面直驅電動機為3 相低速開關磁阻電動機，電動機的啟動力矩大，能很好地滿足螺桿泵啟動高扭矩的特性要求。基于開關磁阻電動機、變頻控制成熟技術開發的螺桿泵開關磁阻地面直驅裝置可靠性高，運行穩定，震動低。

3）能耗與傳統永磁直驅驅動基本相同，能解決退磁問題，可應用于普驅轉直驅的節能工藝實施。

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