7.直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)在油田的應用劉華濤

1、力于創(chuàng)新 久于品質直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)在油田的應用力于創(chuàng)新 久于品質 目 錄前 言一二三四游梁式抽油機和傳統(tǒng)螺桿泵存在的問題直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)的組成六直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢五直驅螺桿泵系統(tǒng)使用的節(jié)電效果結 束 語力于創(chuàng)新 久于品質一、前 言2003年，成立乳山市力久特種電機。2005年，乳山市力久特種電機收購了“乳山市谷山電機”的全部資產與業(yè)務。2007年，公司規(guī)模擴大，經國家有關部門批準，更名為“山東力久特種電機”。公 司 簡 介乳山市谷山電機成立于1970年，原名“乳山市電機廠”，1997年改制為“乳山市谷山電機”，具有四十多年生產電動機的歷史，經過幾十年的技

2、術積累和持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，公司已成為國內電動機行業(yè)中的優(yōu)秀企業(yè)之一。力于創(chuàng)新 久于品質一、前 言公司定位與發(fā)展方向 公司專注于電動機系統(tǒng)的研發(fā)、制造和銷售，定位服務于中、高端裝備制造業(yè)客戶，以快速和準確的方式，提供滿足客戶要求的高品質系列電動機產品與優(yōu)質服務，以實現企業(yè)價值與客戶價值共同成長。力于創(chuàng)新 久于品質一、前 言公司產品介紹產品類別：特種電動機、標準普通電動機和電動機控制系統(tǒng)。 產品系列：YP2、YX3、YVP、YCT、YD、YDT、DYTS、DYG、TYG、 YDGJ、TYP、TYPL、YCTM、NEMA系列等20多個系列、2000 多個規(guī)格電動機與系統(tǒng)。自主品牌：“谷山” “ ” “L

3、EADGO”。服務領域：石油機械、包裝機械、建筑機械、塑料機械、橡膠機械、食品機械、礦山機械、鍛壓機械、造紙機械、工業(yè)生產線等行業(yè)，并在多個行業(yè)處于業(yè)內首創(chuàng)或領先地位。產品暢銷國內各地，并遠銷亞、歐、美、澳洲及非洲等國家和地區(qū)。力于創(chuàng)新 久于品質一、前 言 1、公司系山東省特種電機工程技術研究中心。公司研發(fā)能力力于創(chuàng)新 久于品質一、前 言公司研發(fā)能力 2、公司系山東省高新技術企業(yè)，并建有國家電機專業(yè)博士后科研工作站。 力于創(chuàng)新 久于品質一、前 言公 司 專 利 公司擁有各類專利62項，榮獲專利示范企業(yè)、專利大戶榮譽稱號。 力于創(chuàng)新 久于品質 一、前 言公司技術裝備與制造能力 公司擁有現代化的裝

4、配與檢測生產線4條，電動機噴漆流水線3條，年生產能力200萬kW。 采用井式真空浸漆（VPI）系統(tǒng)、方箱式真空浸漆系統(tǒng)對電動機定子真空浸漆，絕緣效果好，產品質量穩(wěn)定。 公司擁有數控車床、數控鉆銑床、數控鍵槽銑床、數控動平衡機、高速沖槽機、壓力鑄鋁機等先進的加工設備。 公司擁有A類加工設備125臺，B類加工設備120臺，C類加工設備127臺。力于創(chuàng)新 久于品質一、前 言公司部分裝備圖片噴漆流水線浸漆設備數控加工裝配流水線力于創(chuàng)新 久于品質一、前 言 近幾年我國的油田開采取得了飛速的發(fā)展，我國機械采油井數己超過總油井數的90，約80的機械采油井采用柱塞泵采油方式。雖然常規(guī)的抽油機（游梁式抽油機、無

5、游梁式抽油機等）具有工作可靠，堅固耐用的特點，已被廣泛采用，但在使用中也存在一些問題。 力于創(chuàng)新 久于品質 二、游梁式抽油機和傳統(tǒng)螺桿泵存在的問題游梁式抽油機存在的問題：1、質量大、體積大、占地面積大。2、傳動系統(tǒng)變比大，效率低。3、運行時負載波動大。4、要求起動轉矩高，造成大馬拉小車。5、對稠油井、含沙井、聚合物井無能為力或故障率高。6、噪聲大。7、對特低產老井效率更低。游梁式抽油機圖片力于創(chuàng)新 久于品質 二、游梁式抽油機和傳統(tǒng)螺桿泵存在的問題 傳統(tǒng)螺桿泵存在的問題：1、力矩無法控制，遇卡井等故障時易造成泵桿斷裂、損壞設備等故障。2、停機時，儲存在泵桿中的彈性能、輸油管路中液壓能，使泵桿快速

6、反轉，易造成故障。3、停機檢測時，釋放儲的能量易造成危險。4、起動扭矩大，造成大馬拉小車。5、傳動系統(tǒng)變比大、效率低。6、調參麻煩。7、噪聲大。 右圖為老式螺桿泵電機圖片力于創(chuàng)新 久于品質 三、直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)的組成 為有效的解決這些問題，我公司研究開發(fā)了直驅式永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)。該系統(tǒng)去掉了皮帶傳動、減速機等機械部分，采用低速電機直接帶動螺桿泵泵桿旋轉進行工作的。上圖為直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)力于創(chuàng)新 久于品質 三、直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)的組成 電機直接安裝在井口油管四通上，螺桿泵泵桿經電機空心軸軸孔穿出，與電機軸固定。直驅螺桿泵系統(tǒng)可以達到高效節(jié)能的效果

7、，并且可以有效防止泵桿斷裂等機械故障，增加采油工作時間（提高了開井時率），降低工人勞動強度，有很好的發(fā)展前景。上圖為直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)力于創(chuàng)新 久于品質 三、直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)的組成 該電機為三相永磁變頻電機，通過專用變頻器實現平滑調速，在額定電源電壓下，轉速在0-200轉分范圍內連續(xù)可調。結構為立式，軸為空心式，便于泵桿穿出，電機底部設有承載大于噸的動載荷的推力軸承，這樣電機就能承受噸重的井下整個螺桿泵體和泵桿。力于創(chuàng)新 久于品質 三、直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)的組成 采用無轉子位置傳感器永磁同步電機變頻器，實現對永磁變頻同步電機的速度和力矩精確控制，可以對電機和

8、泵桿進行智能控制。軟啟動和保護作用。還帶有數據采集裝置，收集油井數據，以便于研究分析用。力于創(chuàng)新 久于品質 三、直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)的組成 直驅永磁變頻專用螺桿泵電機系統(tǒng)采用電氣制動控制，斷電能耗制動控制?？刂葡鋬扔心芎闹苿与娮韬蛣x車控制。力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢 永磁同步電機轉子上鑲有永磁體，產生恒定的磁場，因此在永磁同步電機轉子上可以鑲嵌很多對磁極，做成多極電動機，使該電機的額定轉速極低。再把永磁同步電動機直徑加大，就能做成低速大轉矩交流永磁同步電動機（由于使用了高能量磁鋼，永磁同步電機的能量密度高，在相同直徑的電機，永磁同步電機的轉矩也比其他電機高

9、30%以上）。永磁同步電動機額定轉速可以做到每分鐘幾十轉，額定轉矩可達數十萬牛米，是其他種類電機不可能實現的。力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢 該電機轉子上鑲有永磁體，可以產生恒定的磁場。根據通電導體在磁場中的電磁力F為: F=BLI（B是磁場強度，L是通電導體的有效長度，I是通電導體中的電流）。在永磁同步電機變頻器控制下，永磁同步電機的轉矩M為：M=FR(R額為永磁同步電機轉子的半徑)，因此永磁同步電機的轉矩與電流的大小成正比,從而永磁同步電機起動時通入幾倍的額定電流，就有幾倍的額定轉矩，所以說永磁同步電機具有較高的起動轉矩（Y系列異步電動機起動電流是7倍左右額定電流，

10、起動轉矩是2倍左右額定轉矩）。力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢 我們控制起動時頻率上升速度，減小電機升速加速度，讓系統(tǒng)緩慢升速，減少對設備的沖擊，減小了螺桿泵泵桿起動時承受的扭矩，延長設備壽命，降低故障率。實現了軟啟動功能。在控制器控制下，以限定安全扭矩，（允許電機以.到倍額定轉矩）起動，從而可以用額定功率電機工作，解決了大馬拉小車的問題。力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢4控制系統(tǒng)有精確的速度、力矩控制 直驅永磁變頻螺桿泵專用電機系統(tǒng)可以精確控制永磁變頻電機的速度和扭矩，當螺桿泵的力矩增大，超出設定力矩時控制系統(tǒng)控制永磁變頻電機減速，按最大限定力矩控

11、制模式工作。而且當地下短時發(fā)生沙堵，控制器能做到允許電機以.到倍額定轉矩工作分鐘，出現無油和泵輕載（定子脫落、斷桿）等情況也能識別。力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢5.軟剎車技術實現可靠停機，防止快速反轉 （1）人為控制停機時 我們采用控制頻率下降速度，監(jiān)控扭矩，實現緩慢減速，讓系統(tǒng)在可控的發(fā)電制動狀態(tài)，逐漸釋放螺桿泵泵桿彈性變形量，逐漸釋放管路里面油壓，避免了螺桿泵的高速反轉，消除了螺桿泵脫口的故障，讓螺桿泵停在自由狀態(tài)，避免了螺桿泵泵桿彈性快速釋放造成的危險，也為下次啟動減小了啟動扭矩。 力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢5.軟剎車技術實現可靠停機

12、，防止快速反轉 （2）電網突然停電時 我們采用了讓電機與控制部分分離，而接入電阻實現發(fā)電制動功能。由于突然停電，電機仍然在運轉，永磁電機在泵桿彈性變形能，和管路油壓差能的帶動下轉動發(fā)電，接入合適的電阻，進行能耗制動。泵桿的反轉加速度越大，電機發(fā)電電壓就越高，電阻吸收的能量就越多，即發(fā)電制動力就越大。消耗掉系統(tǒng)中的能量，最終使泵桿回到自由狀態(tài)。為下次起動做好了準備。修井作業(yè)時也不會出現反轉問題。避免了老式系統(tǒng)棘輪急剎車造成斷軸的危險。力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢6.免維護，增加采油時間。 直驅式螺桿泵系統(tǒng)由于在結構上較傳統(tǒng)機械系統(tǒng)省去了機械減速箱和皮帶輪、皮帶裝置，使機

13、械維護量大幅度降低，降低了工人的勞動強度。同時減少了維護時間，相應增加了采油工作時間。力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢7有效降低盤根滲漏油問題 直驅螺桿泵系統(tǒng)為低速直接驅動，不產生側擺力，大大減輕了盤根的滲漏油問題。力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢8.油井調參容易。 控制器調整速度方便，簡單直觀，方便現場管理，工人可以通過控制器的人機界面，調整螺桿泵的運行速度，直觀監(jiān)視螺桿泵運行狀態(tài)，轉速連續(xù)可調，比傳統(tǒng)的調整方便很多。力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢 在控制箱里帶有數據儲存裝置，可以按一定的時間間隔保存系統(tǒng)運行參數，留待將來研

14、究和分析用。力于創(chuàng)新 久于品質 四、直驅永磁變頻專用電機系統(tǒng)的優(yōu)勢 直驅螺桿泵系統(tǒng)由于電機運行速度低，沒有傳統(tǒng)的皮帶減速機等裝置，機械噪聲很小，與傳統(tǒng)的相比下降超過分貝，特別適合居民區(qū)內，辦公區(qū)內的油井使用。力于創(chuàng)新 久于品質 五、直驅螺桿泵系統(tǒng)使用的節(jié)電效果 傳統(tǒng)機械式螺桿泵系統(tǒng)使由異步電機驅動，皮帶輪、減速機減速，所以造成系統(tǒng)效率較低。異步機效率按，皮帶效率按5，齒輪減速機按計算，系統(tǒng)效率為5.6（5%）.使用的的異步電機一般為，螺桿泵輸入功率，無功為，功率因數.，屬于大馬拉小車的性質。 直驅螺桿泵系統(tǒng)電機容量為.，額定效率，負載時效率達，與控制器效率按計算，直驅螺桿泵系統(tǒng)效率為（）而傳統(tǒng)的只為5，提高近18.1、與傳統(tǒng)機械式螺桿泵相比力于創(chuàng)新 久于品質 五、直驅螺桿泵系統(tǒng)使用的節(jié)電效果 游梁式抽油機負載受井下載荷影響變化劇烈且頻繁，抽油機上下行換向時，勢必存在由靜止到運動的狀態(tài)，載荷隨之增大，電流急劇增加，根據焦耳定律Q=I2RT，電機的損耗與電流的平方成正比，造成電機效率大幅下降。 游梁式抽油機所用電機需為8極22kW，工作效率取為60%，皮帶傳遞效率95%，減速機效率90%（比傳統(tǒng)機械螺桿泵減速機變比大），四連桿效率95%，系統(tǒng)效率僅為48.7%，比直驅螺桿泵系統(tǒng)效率83.