螺杆泵开关磁阻地面直驱装置

闫寒 张丽（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

目前，油田上的地面驱动螺杆泵采油系统采用三相异步电动机和永磁电动机作为动力源。应用三相异步电动机作为动力源的螺杆泵采油系统，由于存在皮带传动系统及齿轮减速系统，不但维护费用较高，而且传动效率较低。应用永磁电动机作为动力源的螺杆泵采油系统采用永磁体铁芯，长时间使用会退磁，发热量大；且随着永磁材料价格攀升，制造成本大幅上升，该系统的性价比随之降低[1-4]。

针对上述问题，提出了研究开关磁阻直驱驱动的技术思路，优选高效成熟的电动机技术；它具有传动效率高，节能效果好，没有永磁体，没有退磁风险，发热低等优势。

1 螺杆泵开关磁阻地面直驱装置的组成

螺杆泵开关磁阻地面驱动装置如图1 所示。

1）立式开关磁阻直驱电动机：采用常规开关磁阻电动机技术，技术成熟且电动机效率高。考虑到直驱电动机轴向承载轴承的冷却问题，设计了1个2.5 kg 左右的冷却油箱对承载轴承进行冷却润滑。将该电动机立式直接安装于井口，减少了故障点，减少了减速系统过程损耗，运行平稳。

2）延时软启动、停机防抽空变频控制器：利用变频控制技术实现立式开关磁阻直驱电动机延时软启动，软停机；防抽空控制功能配备电参数分析装置，根据功率、扭矩变化的大小自动反映螺杆泵井工作状态，在供液严重不足的情况下及时调整工作参数，实现保护功能。

图1 螺杆泵开关磁阻地面驱动装置示意图

3）螺杆泵抽油杆电气反转控制功能：当手动停机或智能控制器对电动机施加保护停机时电气反转控制系统开始工作；电磁牵制防反转控制软件不断对电动机的转速和转向进行检测，一旦发现反转立即对反转的速度及角度进行测量，计算制动需要的强度，然后施加制动力。随着电动机反转速度的不断降低，制动力也不断降低，直至停机。

4）研发的开关磁阻地面直驱电动机主要技术参数如下所述：

◇电动机绕组相数3 相，额定功率22 kW，额定转速200 r/min；

◇适应的环境温度-30～30 ℃，防爆等级F级，变频调速范围在50～200 r/min 之间；

◇抽油杆反转电磁制动，制动时间20～200 s可调；

◇轴向承载轴承额定载荷25 t。

2 实验室传动效率测试

2.1 测试原则

为了对比开关磁阻螺杆泵直驱驱动与目前油田广泛采用的其他螺杆泵驱动设备性能上的不同[5-7]，按输入-输出法选取了3 种设备进行室内检测实验。该实验在额定电压和额定转速下，按轴向负荷100%，额定扭矩25%、50%、75%、100%、125%加载，测算装置的传动效率。

2.2 测试结果

如图2 所示，当扭矩范围在200～800 Nm 之间时，开关磁阻直驱传动效率为74%～78.8%，异步直驱传动效率为45%～49.4%，普驱为38%～57%。

图2 60 r/min 条件下的扭矩-传动效率曲线

如图3 所示，当扭矩范围在100～800 Nm 之间时，开关磁阻直驱传动效率为70%～81.79%，异步直驱传动效率为46%～58.5%，普驱为28%～60%。

如图4 所示，当扭矩范围在200～800 Nm 之间时，开关磁阻直驱传动效率为76%～85%，异步直驱传动效率为57%～67%，普驱为43%～60%。

图3 90 r/min 条件下的扭矩-传动效率曲线

图4 150 r/min 条件下的扭矩-传动效率曲线

3 现场应用效果

2014年3月，4 台样机投入了现场试验。经过近1年的运行检验表明，样机运行噪音偏大，但整机震动小平稳可靠，启停机冲击小。抽油杆防反转制动器满足了螺杆泵停机后扭矩的平稳释放。年内不需维护，节省了维护费用。

该装置与永磁直驱装置相似，与普通驱动相比减少了减速中间环节，减小了能量损失，有效降低装机功率。同时还分别与常规地面驱动装置及永磁直驱驱动装置进行了前后对比测试，与常规配置电动机相比，节电15%以上；与永磁直驱驱动对比，耗电量基本相同。4 口井的现场测试效果见表1。

4 结论

1）螺杆泵开关磁阻地面直驱装置传动效率高，节能效果好；电动机没有永磁体，没有退磁风险；价格稳定。

表1 螺杆泵开关磁阻地面直驱装置应用效果

2）开关磁阻地面直驱电动机为3 相低速开关磁阻电动机，电动机的启动力矩大，能很好地满足螺杆泵启动高扭矩的特性要求。基于开关磁阻电动机、变频控制成熟技术开发的螺杆泵开关磁阻地面直驱装置可靠性高，运行稳定，震动低。

3）能耗与传统永磁直驱驱动基本相同，能解决退磁问题，可应用于普驱转直驱的节能工艺实施。

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