seeka 節(jié)能增安型螺桿泵驅動設備的應用

李芳菲 （大慶油田有限責任公司第三采油廠）

抽油機、螺桿泵、電泵是油田采油井主要的舉升設備，與抽油機相比，螺桿泵和電泵有占地小，噪音小，能耗低等優(yōu)勢[1-3]。由于近年老油田油井產(chǎn)能降低，更適合高產(chǎn)量油井的電泵井份額逐漸縮減，使螺桿泵井優(yōu)勢更加凸顯，因此完成了規(guī)模化的“抽轉螺”措施優(yōu)化工作，并獲得了良好節(jié)能效果[4-5]。在油田大量的螺桿泵井地面驅動設備需求下，多個螺桿泵井地面驅動設備廠家先后推出了異步電動機普驅驅動裝置、永磁同步電動機直驅驅動裝置、開關磁阻電動機直驅驅動裝置等涵蓋額定扭矩400～1 500 N·m 的多個系列產(chǎn)品，極大地滿足了單井生產(chǎn)需要，2007—2017 年間螺桿泵井的科研研究一度成為熱門話題（引自知網(wǎng)學術）。為進一步提升螺桿泵井管理效果和節(jié)能經(jīng)濟效益，油田工程師和院校科研的多名學者對螺桿泵扭矩、洗井周期、反轉控制、節(jié)能進行了研究，并給出了定性、定量的指導建議[6-9]，包括：降低螺桿泵井扭矩，延長檢泵周期；合理制定螺桿泵井洗井周期，從而減少壓產(chǎn)；控制光桿反轉，減少事故隱患；降低能耗，實現(xiàn)降本增效等。

K 油田螺桿泵井舉升技術自2000 年開始引進，隨著上述螺桿泵井舉升工藝的深入，螺桿泵井舉升設備也在油田大范圍普及，2010—2015 年間設備安裝井次達到頂峰機。至目前，最早使用的螺桿泵井地面普通驅動裝置由于設備老化，部分舊機已不得不考慮淘汰，須更換新設備，以滿足油田采油的需要。據(jù)了解，目前更新機型的選型仍以永磁同步電動機直驅動裝置為主，即將異步電動機普驅驅動裝置更新為永磁同步電動機直驅驅動裝置，選型單一。為此，大慶油田第三采油廠與世佳石油設備公司合作了seeka 節(jié)能增安型螺桿泵井地面驅動設備科研攻關工作，并在現(xiàn)場進行了試用，取得了較好的效果。

1 seeka 螺桿泵驅動設備

seeka 螺桿泵驅動設備系統(tǒng)采用機電一體化設計，將驅動電動機和螺桿泵兩種機械設備集合成為一種標準設備，除了具有普通變頻調速控制的功能之外，采用低頻低速電磁設計，實現(xiàn)低轉速、大扭矩，可達到無極調速、噪聲低、運行平穩(wěn)的目的。相對于普通變頻調速系統(tǒng)，該直驅系統(tǒng)設備構造簡單，安裝位置靈活，維護量小，綜合效率高。seeka 螺桿泵驅動設備驅動性能與其他直驅設備對比見表1。

表1 兩種直驅驅動性能對比Tab.1 Performance comparison of two direct drive

seeka 螺桿泵驅動裝置是由seeka 三相異步電動機、伺服控制器和井口其他設備組成的一套裝置。與其他廠家直驅驅動相似，將電能直接轉化為電動機的扭力，帶動井下桿柱旋轉，從而驅動螺桿泵排液，節(jié)省了常規(guī)驅動由于皮帶減速和齒輪減速的能耗損失，可實現(xiàn)較大幅度的節(jié)能效果。伺服控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)測電動機的輸出扭矩，對數(shù)字信號分析，并調節(jié)電動機的輸出轉速，保證電動機的平穩(wěn)運行。各類參數(shù)如扭矩，電流，功率等均能實現(xiàn)在線直觀顯示和內部存儲器臨時存儲，以便進行采集和后續(xù)分析。目前轉速在10～200 r/min 無級可調，內部集成的算法可以在近超載狀況下自動調低電動機轉速或臨時停機，便于油田生產(chǎn)的控制和設備保護。驅動設備及控制原理見圖1。

圖1 驅動設備及原理Fig.1 Driving device and principle

2 seeka 螺桿泵增安性能

seeka 螺桿泵驅動設備制動方式在加強電磁牽制控制強度、配置制動單元及制動電阻完成正常的防反轉控制同時，增加了機械防反轉制動的保護措施，使防反轉控制更加可靠[10-11]。

1）電磁牽制防反轉。根據(jù)反向的力調節(jié)電動機輸出的扭矩使電動機正常停止。利用變頻器可編程控制器功能，由控制器不斷監(jiān)測反轉電勢和力矩，通過控制器發(fā)送給電動機指令，由電動機輸送給轉子所需要的克服反轉的力矩，以抵消反轉勢能，實現(xiàn)逐步停機。

2）電氣防反轉。當驅動系統(tǒng)突然斷電或發(fā)生故障時，控制柜電磁牽制系統(tǒng)停止運行，抽油桿帶動電動機反轉時，控制系統(tǒng)會自動將制動電容系統(tǒng)接到電動機上，使電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)，逐步抵消反轉力矩，直至反向扭矩完全卸載。

3）機械防反轉。如果出現(xiàn)電動機線圈故障或其他電氣故障，不能進行發(fā)電制動時，設置在螺桿泵上端的機械控制裝置會自動進行機械剎車，抑制抽油桿反向旋轉，直至抽油桿停止。井口機械控制裝置（以下簡稱控制裝置） 主要由棘爪、棘爪壓盤，內外摩擦盤等部分組成，結構如圖2 所示。該控制裝置主要在地面光桿反轉轉速過快而失控時工作，其工作機理為：啟抽時，電動機軸通過固定盤帶動棘爪正轉，彈簧在離心力作用下被壓縮，棘爪呈收緊狀態(tài)，控制裝置不作用；停機后，如果光桿反轉速度失去控制，隨轉速的提高，棘爪所受離心力變大，棘爪克服彈簧拉緊力并向外張開，勾進內摩擦盤的凹槽內，卡住后帶動內外摩擦盤一起轉動，此時內外摩擦盤下端面和上端面均與預先安裝的上下蓋板摩擦，逐漸減速，實現(xiàn)光桿反轉控制。

圖2 機械控制裝置Fig.2 Mechanical control device

為驗證該機械防反轉機構的性能，進行了室內初步實驗，實驗目的是觀測該裝置的棘爪機構在電動機主軸反轉過程中是否能順利張開并卡入內摩擦盤的卡槽中，帶動內摩擦盤一同旋轉，從而實現(xiàn)制動減速。實驗前，事先在扣蓋上開一直徑為8～10 mm圓孔，并以黑色圓點標記，將高頻激光傳感器對準圓點，觀察激光反射傳感監(jiān)測的內摩擦盤是否發(fā)生轉動，來證明棘爪是否能順利與內摩擦盤勾連。每次測試先讓電動機反轉，以模擬光桿反轉狀態(tài)，在每次確定棘爪順利與內摩擦盤勾連后，立即停機，以保護該制動機構的機械零件；然后，調整電動機正轉，以便使已卡入內摩擦盤的棘爪退出卡槽，為下次反轉實驗作準備。室內共進行了7 次模擬實驗，結果顯示，棘爪帶動內摩擦盤共同旋轉成功率100%，對應電動機轉速在220～235 r/min。以此，驗證了該機構的設計合理性，滿足現(xiàn)場實際使用要求。

3 節(jié)能效果

為全面對比評價seeka 螺桿泵驅動設備性能特點， 參考GB/T 1029—2021《三相同步電動機實驗方法》、 GB/T 1032—2012《三相異步電動機實驗方法》所述的輸入-輸出直接法，對選定的2套設備，即螺桿泵井普通驅動設備、螺桿泵井seeka 直驅驅動設備進行了傳動效率對比，為保證可比性，均采用11 kW 額定功率電動機。傳動效率曲線見圖3。

圖3 傳動效率曲線Fig.3 Transmission efficiency curve

由測試結果可知，seeka 直驅驅動較普通驅動裝置的傳動效率明顯提高，提高幅度在20～30 個百分點。

選擇3 臺型號為seeka-ZQ 500/200 螺桿泵驅動設備開展現(xiàn)場實驗。實驗目標井需具備以下條件：①采用的是普驅驅動設備，且設備應用時長在5 a以上；②設備的額定扭矩與seeka 設備相當；③分離器計產(chǎn)，泵況正常，380 V 工作電壓；④距離上次作業(yè)時間短，距離上次熱洗時間短，結蠟不顯著。

在上述篩選準則的基礎上，選擇了3 口實驗井X1、X2、X3，泵深900 m 左右，轉速在60～90 r/min，距上次檢泵期小于3 個月，管柱結蠟量不大（由洗井周期大于0.5 a 獲知），其余單井現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)見表2。從實驗前后數(shù)據(jù)可知，單井產(chǎn)量基本不變，有功功率降低，日節(jié)電15%以上，百米噸液耗電減少，達到了預期效果。按照表中節(jié)電量測算，3 口井日節(jié)電量為45 kWh，預計年可節(jié)約電能1.64×104kWh，折合經(jīng)濟效益1.05 萬元。

表2 單井現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Field test data of single well

對seeka 螺桿泵驅動設備和目前常用的永磁同步電動機直驅動設備的節(jié)能效果進行了對比，數(shù)據(jù)對比結果見表3。其中，普驅換seeka 直驅能耗數(shù)據(jù)來自于本次現(xiàn)場實驗的3 口實驗井，根據(jù)產(chǎn)液級別進行了劃分，有功功率取平均值；普驅換其他直驅能耗數(shù)據(jù)來自于上年0～10 t/d 和10～20 t/d 兩個產(chǎn)液級別下的油井換設備前和換后數(shù)據(jù)均值，為保證可比性，表中對比數(shù)據(jù)均選取自11 kW 電動機設備。

表3 節(jié)能效果數(shù)據(jù)對比Tab.3 Data comparison of energy conservation effect

由表3 可知，相同產(chǎn)液級別和電動機功率下，普驅換seeka 直驅井的節(jié)電效果均優(yōu)于普驅換其他直驅井，平均節(jié)電率高2～3 個百分點。

4 結論

文中主要描述了seeka 直驅驅動設備的組成及原理，通過直接法檢測了該螺桿泵直驅設備的傳動性能，室內實驗結果表明，seeka 直驅驅動較普通驅動裝置傳動效率明顯提高，提高幅度在20～30個百分點。通過室內實驗和現(xiàn)場實驗給出了seeka直驅驅動裝置的節(jié)能效果，并驗算了其經(jīng)濟效益。對該設備附加了增安型機械控制裝置，即在電磁牽制和電氣防反轉的基礎上，增加了一套機械防反轉制動機構，在光桿反轉失控時，通過機械摩擦力將光桿反轉勢能釋放掉，從而實現(xiàn)安全停機。機械防反轉裝置的設計具有創(chuàng)新性和實用性，有利于保障螺桿泵井停機時現(xiàn)場工作人員的人身安全，防止停機傷人事故發(fā)生。

用seeka 驅動設備更換普通直驅設備能實現(xiàn)20%左右的節(jié)能效果，經(jīng)濟效益可觀，增安性能彌補了安全設計上的不足。該設備性能較好，但由于應用時間不長，后期維護維修所需支出的費用仍有待進一步的考量。