直线电机抽油泵系统试验研究

姜民政，李 杨，王 慧，邢宗涛，常瑞清

直线电机抽油泵系统试验研究

姜民政1，李 杨1，王 慧2，邢宗涛3，常瑞清4

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.天津渤油船舶工程有限公司，天津300457；3.大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江大庆163411；4.大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453）①

直线电机能够产生直线往复运动，将其与抽油泵相结合形成一种新型无杆采油设备，彻底取消抽油杆及地面传动机构，从而大幅降低系统能耗，提高系统效率。通过试验研究得到直线电机抽油泵特性及其变化规律，具有理论及工程实际意义。

直线电机；抽油泵；试验研究

使用直线电机直接驱动抽油泵，可省去中间传动机构，降低能耗。从提出设想至今，虽然驱动采油设备的方案不同，但是仍然有很多问题没有解决［1－5］。当前，大多数研究人员对直线电机驱动采油方案的设计与改进仅依赖于现场试验，缺少必要的理论支撑。本文建立直线电机抽油泵系统室内试验台，通过试验研究，可以发现直线电机抽油泵系统实际运行时存在的问题，得出其性能影响因素和变化规律。研究成果将为设计结构合理的直线电机抽油泵系统、实现其合理的运行控制提供理论依据，为节能型采油方案的确定提供依据。

1 结构及工作原理

1.1 基本结构

直线电机抽油泵系统是将圆筒型永磁直线同步电机外壳与泵筒连接成一体置于套管内，应用直线电机的次级带动柱塞做往复运动，完成原油的抽汲。圆筒型永磁直线同步电机的动子两端采用螺纹各连接1个短柱塞，实现直线电机的动子带动短柱塞做直线往复运动，取消了抽油杆及地面传动机构。试验中使用的直线电机抽油泵系统结构如图1所示，主要由上固定阀总成、位移测量装置、上柱塞总成、密封装置、圆筒型永磁直线同步电机、下柱塞总成、下固定阀总成等组成。

1.2 工作原理

当圆筒型永磁直线同步电机的次级向上运动时，直线电机抽油泵做上冲程运动。此时，下短柱塞下面的下泵腔容积增大，压力减小，下游动阀在其上下压差的作用下关闭，而下固定阀在其上下压差的作用下打开，原油进入下泵腔，而此时上短柱塞上面的上泵腔容积减小，压力增大，上游动阀在其上下压差的作用下关闭，上固定阀在其上下压差的作用下打开，上泵腔原油举升进入油管，然后排出；同理当圆筒型永磁直线同步电机的次级向下运动时，直线电机抽油泵做下冲程运动。此时，柱塞压缩下泵腔中的原油，下短柱塞下面的下泵腔容积减小，压力增大，而上短柱塞上面的上泵腔容积增大，压力减小，因此上、下2个游动阀均在其上下压差的作用下打开，下泵腔原油进入上泵腔。直线电机次级一上一下，带动泵的短柱塞往复运动，抽油泵就完成了1次抽汲循环。重复进行循环从而完成原油举升。

图1 试验用直线电机抽油泵系统结构

2 室内试验装置的建立

直线电机抽油泵系统室内试验装置主要包括直线电机抽油泵系统、运行控制和数据采集系统、配电柜、计量罐、油箱等，如图2。通过运行控制可以实现直线电机抽油泵系统运行启停控制、系统运行参数的改变、系统运行监控；通过数据采集系统可以采集直线电机抽油泵系统运行时的电参数和柱塞的位移量。

运行控制主要是指通过软件实现控制，在遵守各电子设备通讯协议的基础上，编制组态程序和PLC程序实现计算机、PLC、A／D模块、变频器之间的通讯。最终将各种操作及相关信息都集中显示在组态软件编制的可视化程序主界面上。应用组态王6.54建立的程序共有4个程序界面：程序主界面、实时数据显示曲线界面、历史数据曲线界面、历史数据查询界面。通过界面的操作，可以实现直线电机抽油泵系统的运行启停控制及运行参数的设置；可以将系统的运行电参数及柱塞的位移值实时显示在组态程序界面上，实现系统的运行监控；可查询系统运行的历史数据。通过PLC梯形图程序可以实现PLC、模块、变频器之间的通讯，是组态程序与直线电机抽油泵系统运行控制之间的桥梁。程序共分为3部分：PLC与A／D模块通讯部分程序段；PLC与变频器通讯部分程序段；PLC对直线电机抽油泵系统运行控制部分程序段。有了PLC程序就可以实现组态程序对直线电机抽油泵系统的运行控制，也可以实现直线电机抽油泵系统运行参数在组态程序界面上的实时显示。

图2 试验台系统组成原理

数据采集包括直线电机的电参数、位移及抽油泵流量的采集。数据采集的方法很多，为了适应试验的要求，本试验采用HIOKI 4169-20型电参数测试仪、数据采集板、计量罐进行所需数据的采集。

使用变频器的U／f控制实现系统变参数运行。通过组态软件编制的可视化程序主界面进行电源频率、电压、运行频率等的设置，然后输入至变频器，再由变频器控制直线电机抽油泵系统的运行。

使用柴油机油作为试验的循环介质，当系统运行时，柴油机油在直线电机抽油泵的抽汲作用下经过其中空部分后，进入计量罐，再由计量罐流入油箱。配电柜向系统输入三相交流电。通过运行控制及数据采集系统将运行控制信号输入到直线电机抽油泵系统，实现系统运行控制。将经过数字模拟转换的传感器信号、电机运行的电参数值输送给运行控制及数据采集系统，实现系统运行监控及数据采集。

3 试验数据采集及分析

测量不同频率下直线电机抽油泵的运行情况，得出频率对直线电机抽油泵性能的影响及其变化规律。测试条件：设定输入电压为200V，冲次为20 min－1，频率分别为3、4、5Hz。使用HIOKI 4169－20电参数测试仪测量直线电机的电参数，结果如图3～6所示。

图3 有功功率曲线

图4 无功功率曲线

图5 电压曲线

图6 电流曲线

由图3～6可以看出：当使用U／f控制方式控制直线电机抽油泵系统运行时，保持直线电机的输入电压不变，改变直线电机的运行频率不会影响直线电机抽油泵的电参数特性；其中，每一条曲线的上升段是直线电机抽油泵的启动过程，曲线的下降段是直线电机抽油泵的制动过程，曲线的平缓变化段是直线电机抽油泵的稳定运行过程；每条曲线存在的波动是由直线电机抽油泵存在振动而引起的。

在直线电机抽油泵同参数运行的条件下，使用研华数据采集卡采集直线电机抽油泵柱塞的位移参数，曲线如图7所示。应用OriginLab科学绘图和数据分析软件处理位移数据，通过傅立叶滤波处理后得到直线电机抽油泵1个冲程内的位移、速度及加速度曲线，如图8～10所示。

图7 试验采集原始位移数据曲线

图8 傅立叶滤波后位移曲线

图9 速度曲线

图10 加速度曲线

由图8～10可以看出：直线电机抽油泵在1个冲程内，柱塞的速度和加速度不仅大小发生变化，而且方向也变化；上冲程的前半冲程为加速运动，加速度为正，加速度值越来越小，一直减小到零；上冲程的后半冲程为减速运动，加速度为负，加速度绝对值越来越大；下冲程与上冲程的运动规律相同，运动方向相反。直线电机抽油泵在1个冲程内的上、下死点处加速度值最大。

当使用U／f控制方式控制直线电机抽油泵运行时，保持直线电机抽油泵的输入电压不变，只改变直线电机抽油泵的运行频率，直线电机抽油泵1个冲程内的位移、速度和加速度值随着频率的增加而增加。

根据试验测试数据计算1个周期内的相关参数值，如表1所示。

由表1可以看出：在直线电机抽油泵的输入电压不变的情况下，改变输入频率值，在直线电机抽油泵的1个运行冲程内，流量系数、有效功率、泵效均随着频率的增加而增加；流量系数值从3Hz时的0.875增加到5Hz时的0.877，有效功率值从3Hz时的0.606kW增加到5Hz时的0.897kW，5Hz时泵效比3Hz时提高了10.87%；最大推力值随着频率的增加有很小的变化，可以忽略，因此最大推力值不随频率的变化而变化。

表1 相关参数计算

4 结论

1） 直线电机抽油泵运行过程中发热现象严重，影响了直线电机抽油泵的正常运行。如果将其投入现场使用，首先要解决直线电机的发热与散热问题。

2） 直线电机抽油泵彻底取消了抽油杆及地面传动系统，从而解决了杆管偏磨这一难题，也降低了系统的损耗。

3） 文章中提出的直线电机抽油泵系统结构，使用U／f控制方式控制直线电机抽油泵运行时，电参数不随着频率的改变而改变；直线电机抽油泵的位移、速度和加速度值随着频率的增加而增加；直线电机抽油泵的流量系数、有效功率、泵效均随着频率的增加而增加。

［1］ 梁会珍，段宝玉，陈庭举，等.直线电机作为井下泵动力系统的设想［J］.石油钻采工艺，2004，26（3）：75-77.

［2］ 魏秦文，张 茂，王东莉，等.直线电动机－抽油泵系统设计与试验结果分析［J］.石油机械，2007，35（4）：57-59.

［3］ 魏秦文，张留昌，郭咏梅，等.新型直线电机采油泵及其关键技术［J］.石油矿场机械，2007，36（5）：5-9.

［4］ 魏秦文，张 茂，杨 斌，等.直线电机采油泵存在的问题及改进措施［J］.石油矿场机械，2007，36（6）：10-13.

［5］ 魏秦文，刘 健，侯勇俊，等.直线电机在采油设备中的应用［J］.石油矿场机械，2007，36（8）：54-57.

［6］ 曲 海，魏秦文，梁 政，等.直线电机抽油泵泵阀不同工况特点研究［J］.石油矿场机械，2010，39（3）：12-17.

［7］ 邱家友，周晓红，刘焕梅.安塞油田直线电机无杆采油工艺试验效果分析［J］.石油矿场机械，2010，39（7）：64-68.

［8］ 杨铁宁，张金中.直线电机驱动往复泵流量压力变化规律试验研究［J］.石油矿场机械，2009，38（4）：56-61.

Experimental Study of Linear Motor Pumping Unit

JIANG Min-zheng1，LI Yang1，WANG Hui2，XING Zong-tao3，CHANG Rui-qing4
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.Bohai Oil Marine Engineering ＆Supply Co.，Ltd.，Tianjin300457，China；3.No.1 Drilling Company，Daqing Oilfield Drilling Engineering Company，Daqing163411，China；4.Oil Production Engineering Research Institute，Daqing Oilficld Co.，Ltd.，Daqing163453，China）

Based on reciprocating motion of the linear motor，adapt it was combined with progressive cavity pumping unit to eliminate pumping rod and the ground transmission mechanism.Thusthe energy consumption of the system was greatly reduced；the efficiency of the system was improved.Through the experimental study，the linear motor pumping characteristics and their variation regularities were obtained，with theoretical and practical significance.

linear motor；pumping；experimental study

TE933.3

A

1001-3482（2012）05-0060-04