seeka 节能增安型螺杆泵驱动设备的应用

李芳菲 （大庆油田有限责任公司第三采油厂）

抽油机、螺杆泵、电泵是油田采油井主要的举升设备，与抽油机相比，螺杆泵和电泵有占地小，噪音小，能耗低等优势[1-3]。由于近年老油田油井产能降低，更适合高产量油井的电泵井份额逐渐缩减，使螺杆泵井优势更加凸显，因此完成了规模化的“抽转螺”措施优化工作，并获得了良好节能效果[4-5]。在油田大量的螺杆泵井地面驱动设备需求下，多个螺杆泵井地面驱动设备厂家先后推出了异步电动机普驱驱动装置、永磁同步电动机直驱驱动装置、开关磁阻电动机直驱驱动装置等涵盖额定扭矩400～1 500 N·m 的多个系列产品，极大地满足了单井生产需要，2007—2017 年间螺杆泵井的科研研究一度成为热门话题（引自知网学术）。为进一步提升螺杆泵井管理效果和节能经济效益，油田工程师和院校科研的多名学者对螺杆泵扭矩、洗井周期、反转控制、节能进行了研究，并给出了定性、定量的指导建议[6-9]，包括：降低螺杆泵井扭矩，延长检泵周期；合理制定螺杆泵井洗井周期，从而减少压产；控制光杆反转，减少事故隐患；降低能耗，实现降本增效等。

K 油田螺杆泵井举升技术自2000 年开始引进，随着上述螺杆泵井举升工艺的深入，螺杆泵井举升设备也在油田大范围普及，2010—2015 年间设备安装井次达到顶峰机。至目前，最早使用的螺杆泵井地面普通驱动装置由于设备老化，部分旧机已不得不考虑淘汰，须更换新设备，以满足油田采油的需要。据了解，目前更新机型的选型仍以永磁同步电动机直驱动装置为主，即将异步电动机普驱驱动装置更新为永磁同步电动机直驱驱动装置，选型单一。为此，大庆油田第三采油厂与世佳石油设备公司合作了seeka 节能增安型螺杆泵井地面驱动设备科研攻关工作，并在现场进行了试用，取得了较好的效果。

1 seeka 螺杆泵驱动设备

seeka 螺杆泵驱动设备系统采用机电一体化设计，将驱动电动机和螺杆泵两种机械设备集合成为一种标准设备，除了具有普通变频调速控制的功能之外，采用低频低速电磁设计，实现低转速、大扭矩，可达到无极调速、噪声低、运行平稳的目的。相对于普通变频调速系统，该直驱系统设备构造简单，安装位置灵活，维护量小，综合效率高。seeka 螺杆泵驱动设备驱动性能与其他直驱设备对比见表1。

表1 两种直驱驱动性能对比Tab.1 Performance comparison of two direct drive

seeka 螺杆泵驱动装置是由seeka 三相异步电动机、伺服控制器和井口其他设备组成的一套装置。与其他厂家直驱驱动相似，将电能直接转化为电动机的扭力，带动井下杆柱旋转，从而驱动螺杆泵排液，节省了常规驱动由于皮带减速和齿轮减速的能耗损失，可实现较大幅度的节能效果。伺服控制系统可以实时监测电动机的输出扭矩，对数字信号分析，并调节电动机的输出转速，保证电动机的平稳运行。各类参数如扭矩，电流，功率等均能实现在线直观显示和内部存储器临时存储，以便进行采集和后续分析。目前转速在10～200 r/min 无级可调，内部集成的算法可以在近超载状况下自动调低电动机转速或临时停机，便于油田生产的控制和设备保护。驱动设备及控制原理见图1。

图1 驱动设备及原理Fig.1 Driving device and principle

2 seeka 螺杆泵增安性能

seeka 螺杆泵驱动设备制动方式在加强电磁牵制控制强度、配置制动单元及制动电阻完成正常的防反转控制同时，增加了机械防反转制动的保护措施，使防反转控制更加可靠[10-11]。

1）电磁牵制防反转。根据反向的力调节电动机输出的扭矩使电动机正常停止。利用变频器可编程控制器功能，由控制器不断监测反转电势和力矩，通过控制器发送给电动机指令，由电动机输送给转子所需要的克服反转的力矩，以抵消反转势能，实现逐步停机。

2）电气防反转。当驱动系统突然断电或发生故障时，控制柜电磁牵制系统停止运行，抽油杆带动电动机反转时，控制系统会自动将制动电容系统接到电动机上，使电动机处于发电制动状态，逐步抵消反转力矩，直至反向扭矩完全卸载。

3）机械防反转。如果出现电动机线圈故障或其他电气故障，不能进行发电制动时，设置在螺杆泵上端的机械控制装置会自动进行机械刹车，抑制抽油杆反向旋转，直至抽油杆停止。井口机械控制装置（以下简称控制装置） 主要由棘爪、棘爪压盘，内外摩擦盘等部分组成，结构如图2 所示。该控制装置主要在地面光杆反转转速过快而失控时工作，其工作机理为：启抽时，电动机轴通过固定盘带动棘爪正转，弹簧在离心力作用下被压缩，棘爪呈收紧状态，控制装置不作用；停机后，如果光杆反转速度失去控制，随转速的提高，棘爪所受离心力变大，棘爪克服弹簧拉紧力并向外张开，勾进内摩擦盘的凹槽内，卡住后带动内外摩擦盘一起转动，此时内外摩擦盘下端面和上端面均与预先安装的上下盖板摩擦，逐渐减速，实现光杆反转控制。

图2 机械控制装置Fig.2 Mechanical control device

为验证该机械防反转机构的性能，进行了室内初步实验，实验目的是观测该装置的棘爪机构在电动机主轴反转过程中是否能顺利张开并卡入内摩擦盘的卡槽中，带动内摩擦盘一同旋转，从而实现制动减速。实验前，事先在扣盖上开一直径为8～10 mm圆孔，并以黑色圆点标记，将高频激光传感器对准圆点，观察激光反射传感监测的内摩擦盘是否发生转动，来证明棘爪是否能顺利与内摩擦盘勾连。每次测试先让电动机反转，以模拟光杆反转状态，在每次确定棘爪顺利与内摩擦盘勾连后，立即停机，以保护该制动机构的机械零件；然后，调整电动机正转，以便使已卡入内摩擦盘的棘爪退出卡槽，为下次反转实验作准备。室内共进行了7 次模拟实验，结果显示，棘爪带动内摩擦盘共同旋转成功率100%，对应电动机转速在220～235 r/min。以此，验证了该机构的设计合理性，满足现场实际使用要求。

3 节能效果

为全面对比评价seeka 螺杆泵驱动设备性能特点， 参考GB/T 1029—2021《三相同步电动机实验方法》、 GB/T 1032—2012《三相异步电动机实验方法》所述的输入-输出直接法，对选定的2套设备，即螺杆泵井普通驱动设备、螺杆泵井seeka 直驱驱动设备进行了传动效率对比，为保证可比性，均采用11 kW 额定功率电动机。传动效率曲线见图3。

图3 传动效率曲线Fig.3 Transmission efficiency curve

由测试结果可知，seeka 直驱驱动较普通驱动装置的传动效率明显提高，提高幅度在20～30 个百分点。

选择3 台型号为seeka-ZQ 500/200 螺杆泵驱动设备开展现场实验。实验目标井需具备以下条件：①采用的是普驱驱动设备，且设备应用时长在5 a以上；②设备的额定扭矩与seeka 设备相当；③分离器计产，泵况正常，380 V 工作电压；④距离上次作业时间短，距离上次热洗时间短，结蜡不显著。

在上述筛选准则的基础上，选择了3 口实验井X1、X2、X3，泵深900 m 左右，转速在60～90 r/min，距上次检泵期小于3 个月，管柱结蜡量不大（由洗井周期大于0.5 a 获知），其余单井现场实验数据见表2。从实验前后数据可知，单井产量基本不变，有功功率降低，日节电15%以上，百米吨液耗电减少，达到了预期效果。按照表中节电量测算，3 口井日节电量为45 kWh，预计年可节约电能1.64×104kWh，折合经济效益1.05 万元。

表2 单井现场实验数据Tab.2 Field test data of single well

对seeka 螺杆泵驱动设备和目前常用的永磁同步电动机直驱动设备的节能效果进行了对比，数据对比结果见表3。其中，普驱换seeka 直驱能耗数据来自于本次现场实验的3 口实验井，根据产液级别进行了划分，有功功率取平均值；普驱换其他直驱能耗数据来自于上年0～10 t/d 和10～20 t/d 两个产液级别下的油井换设备前和换后数据均值，为保证可比性，表中对比数据均选取自11 kW 电动机设备。

表3 节能效果数据对比Tab.3 Data comparison of energy conservation effect

由表3 可知，相同产液级别和电动机功率下，普驱换seeka 直驱井的节电效果均优于普驱换其他直驱井，平均节电率高2～3 个百分点。

4 结论

文中主要描述了seeka 直驱驱动设备的组成及原理，通过直接法检测了该螺杆泵直驱设备的传动性能，室内实验结果表明，seeka 直驱驱动较普通驱动装置传动效率明显提高，提高幅度在20～30个百分点。通过室内实验和现场实验给出了seeka直驱驱动装置的节能效果，并验算了其经济效益。对该设备附加了增安型机械控制装置，即在电磁牵制和电气防反转的基础上，增加了一套机械防反转制动机构，在光杆反转失控时，通过机械摩擦力将光杆反转势能释放掉，从而实现安全停机。机械防反转装置的设计具有创新性和实用性，有利于保障螺杆泵井停机时现场工作人员的人身安全，防止停机伤人事故发生。

用seeka 驱动设备更换普通直驱设备能实现20%左右的节能效果，经济效益可观，增安性能弥补了安全设计上的不足。该设备性能较好，但由于应用时间不长，后期维护维修所需支出的费用仍有待进一步的考量。