TYPL系列螺桿泵驅動系統應用效果分析

杜香芝（大慶油田有限責任公司采油工程研究院）

TYPL系列螺桿泵驅動系統應用效果分析

杜香芝（大慶油田有限責任公司采油工程研究院）

TYPL系列螺桿泵驅動系統采用低速大轉矩永磁變頻同步電動機直接驅動螺桿泵采油系統，將抽油桿、油負荷的承重及其密封與電動機結構一體化設計，簡化了原螺桿泵抽油系統的機械結構，取代了傳統的機械式螺桿泵地面驅動部分。由永磁變頻控制系統進行轉速控制，可根據現場狀況調節轉速，使系統工作在最佳狀態。對TYPL系列螺桿泵驅動系統室內測試效果和現場應用效果進行了分析，得出了TYPL系列螺桿泵驅動系統性能指標均能達到標準要求，同時節電效果明顯的結論。

永磁同步電動機；螺桿泵；控制柜

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.007

引言

采油螺桿泵技術作為一種新興的人工舉升方式，具有投資少、設備結構簡單、操作方便、節能效果明顯以及適應性強等特點，能有效降低采油成本，提高采油效益，由于擁有抽油機、潛油柱塞泵、潛油電泵、水力活塞泵等機采方式無法比擬的優點，倍受國內外油田重視，并逐漸成為油田主要的機采方式之一[1]。采油螺桿泵技術是由地面動力部分帶動抽油桿柱旋轉，使螺桿泵轉子低速轉動實現舉升的機械采油設備[2]。螺桿泵是一種容積式泵，原油開采過程中不會出現砂卡、結垢、氣鎖等現象，適用于高含氣量、高含砂量原油油井及斜井、水平井的開采和海上采油[3]。目前在油田應用比較廣泛的變頻電動機主要是異步變頻電動機[4]。但異步電動機的效率和功率因數較低，加減速器驅動螺桿泵使機組傳動鏈變長、故障點增加、系統效率進一步降低。為改善電動機的性能指標，提高系統效率，近幾年國內外學者開展了永磁同步電動機的研究，主要包括驅動離心泵用的高速潛油永磁同步電動機和驅動螺桿泵用的低速永磁同步電動機。伴隨我國油田開采時間的延長和含水量的不斷上升，電動機驅動采油技術發展的越來越快，在機組設計制造、油井選擇、工況監測、開采測試等方面配套工藝日趨完善，且發展應用前景十分廣闊[5]。

以永磁同步電動機為基礎，對永磁同步電動機進行了優化設計，并對設計參數進行了模擬試驗驗證，通過樣機試制、試驗，室內測試效果和現場應用效果進行了分析，得出TYPL系列螺桿泵驅動系統性能指標達到標準要求，節電效果明顯。

1 產品優化設計

1.1 系統機械部分優化設計

1）由于TYPL永磁變頻螺桿泵專用電動機在油井上使用，機殼要具有防爆功能，因此要按防爆電動機的標準執行，選用防爆電動機外殼，同時電動機要能承受較大的軸向力。電動機要求定、轉子要同心。

2）由于其與螺桿泵直接連接，要求連接牢固、可靠，其關鍵點是要合理設計轉子結構。

3）永磁變頻螺桿泵專用電動機直接安裝在油井上，電動機的法蘭與油井井口的法蘭固定在一起，螺桿泵的泵桿穿過電動機的空心軸，在電動機的上端與電動機軸連接，因此原油的密封就要由電動機來完成，這就要求密封器密封可靠、檢修和更換方便。

1.2 系統控制部分優化設計

變頻器與電動機之間應盡量避免安裝接觸器一類的器件，而電動機要發電制動，就必須在電動機接線端子處接入電阻，來消耗電動機的動能轉換出來的電能。可是在系統正常工作時，又不得接入制動電阻，以防變頻器提供的電能在制動電阻上消耗。發電制動線路如圖1所示，在變頻器得電時，接觸器線圈得點打開常閉出點，電阻不構成閉合回路，電阻不工作，在變頻器失電時，直流母線電壓消失，接觸器打開，常閉觸點閉合，電阻經接觸器常閉出點構成閉合回路，電阻開始工作，進行能耗制動。

表1 測試數據結果統計

圖1 發電制動線路圖

1.3 系統電磁優化設計

為了滿足較高的穩定性要求，降低齒槽轉矩和轉矩脈動系數，減小振動和噪聲，選取適當的定子槽口寬度和氣隙長度。定子槽口越寬，氣隙長度越短，齒轉矩越大，轉矩脈動系數就越高，但漏磁越小。為了兼顧齒槽轉矩、轉矩脈動系數和效率，適當選取磁極偏移角，根據定子槽數和極數選取適當的磁極偏移角，可以有效的削弱齒槽轉矩。

齒槽轉矩定義為電動機不通電時的磁場能量W對定轉子相對位置角α的負導數，即

式中：Tcog——齒槽轉矩，N·m；

W——磁場能量，J。

α——定轉子相對位置角，°。

因此在設計過程中從齒槽轉矩產生的機理出發采取如下措施降齒槽轉矩：

1）改變磁極參數：合理設計磁極的磁密幅值，削弱電動機的齒槽轉矩。

2）改變電樞參數：合理設計電樞槽型及槽口寬度，削弱電動機的齒槽轉矩。

3）合理選擇電動機的極、槽配合。

通過樣機的現場試驗，很好的滿足了采油要求。

2 應用效果分析

2.1 室內測試效果分析

對100臺TYPL系列永磁變頻螺桿泵專用電動機進行了抽樣測試，主要測試內容包括：傳動效率、過載能力、反轉控制性能、溫升。測試結果見表1。

通過測試結果可以看出，抽樣測試的10套TYPL永磁變頻螺桿泵專用電動機系統的4個檢測項目的8項技術指標均能達到標準要求。

2.2 現場應用效果分析

對現場50口螺桿泵井安裝TYPL系列永磁變頻螺桿泵專用電動機系統進行了節能效果對比跟蹤測試，對安裝前后的生產數據進行了統計，統計結果見表2。

表2 50口螺桿泵井安裝專用電動機前后平均測試數據

通過統計結果可以看出，單井有功功率下降1.22 kW，無功功率下降8.04 kW，功率因數提高0.38，系統效率上升了5.41%。單井日節電達29.28 kWh，單井年節電1.054×104kWh，電價按0.989元/kWh計算，單井年節約電費1.04萬元，50口井可實現年節約電費52萬元，節能效果顯著。

3 結論

通過對永磁同步電動機的機械部分、控制部分、電磁部分的設計優化，TYPL永磁變頻螺桿泵專用電動機系統已在石油行業廣泛應用，并取得了較好的應用效果。主要通過減少減速機構，降低了機械成本；通過減小電動機體積，減少了占地面積；達到了高效運行，安全生產的目的，節能效果顯著。

[1]崔俊國，肖文生，喻高遠，等.潛油永磁同步電動機國內外研究進展[J].電動機與控制應用，2015（3）：7-12．

[2]呂斌.潛油直驅螺桿泵采油技術研究[D].西安：西安石油大學，2015.

[3]常志祥.低速永磁潛油電動機設計研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2016.

[4]張寶柱，王道軍.永磁電動機的設計與應用[J].內蒙古石油化工，2012（23）：26-27.

[5]蔡淑蘭.潛油電動機驅動采油技術的發展[J].化學工程與裝備，2014（10）：157-158.

（編輯 沙力妮）

遼河油田公司吹響節能宣傳周活動集合號

本月11日至17日是全國節能宣傳周，遼河油田公司緊密圍繞“開源節流降本增效”工作總體部署，在公司范圍內舉行了主題為“節能有我，綠色共享”的節能宣傳活動，著力提高全員節能意識，深入挖掘節能潛力，促進油田各生產系統能效水平的持續提升。

長期以來，遼河油田公司一直將節能降耗視為企業可持續發展的“重頭戲”，“十二五”期間超額完成節能任務指標，連續13年被評為“中國石油天然氣集團公司節能節水先進企業”，并實現“十三五”節能工作良好開局。

配合“開源節流降本增效”工作是今年節能宣傳周系列活動的最大特點。借著此次節能宣傳周的契機對相關工作進行重點審查，保證任務完成質量。

節能宣傳周活動從4個方面進行：開展節能目標責任制檢查活動，主要對各單位節能任務指標、節能開源節流降本增效指標分解落實及階段完成情況進行檢查，確認各單位上半年節能任務指標完成進度；開展節能監察活動，在上半年重新編制了能源監察工作方案，以保證能效水平對標、專項資金項目實施等重點工作的實施進度，提升各生產系統能效水平；開展對節能專項項目運行情況的檢查，重點檢查專項資金使用情況、資金結余情況、項目實施進度、已完成項目運行情況等；開展能源審計研討與推進活動，能源審計工作是下半年的一項重點工作，組織節能管理人員開展相關培訓，重點針對能源審計的程序和方法進行學習研討。

今年節能宣傳周的宣傳活動還與《“十三五”節能減排綜合工作方案》等相關文件的要求相結合，號召全體員工踐行節約“一滴油、一度電、一滴水、一張紙”，從點滴做起，增進節能意識，營造崇尚節約、合理消費與低碳環保的社會風尚，推動形成綠色生產生活方式，助力油田可持續發展。

羅福梅

2017-02-23

杜香芝，工程師，1986年畢業于大慶石油學校（采油專業），從事產品質量監督檢驗工作，E-mail：duxz@petrochina.com，地址：黑龍江省大慶市采油工程研究院采油工程產品質量監督檢驗中心，163543。