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油田直驱螺杆泵解决方案
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摘要:地面直驱式螺杆泵是在螺杆泵基础上发展而成的抽油机械,采用永磁同步电机带动光杆直接驱动井下螺杆泵,减少了机械减速器和皮带减速器,效率很高。本文介绍了英威腾Goodrive300开环矢量型变频器在地面直驱螺杆泵上的应用,其控制性能可靠,节能效率高。本文仅以37kW的Goodrive300变频器为例进行分析,并为地面直驱式螺杆泵的节能改造提供应用方案。
关键词:变频器   地面直驱螺杆泵  英威腾

1.引言
       地面直驱螺杆泵是近年来迅速发展起来的一种采油机械,特别适合高黏稠、高含气、高含砂、高含水以及低产油井的原油开采,能有效地克服气锁、砂卡等现象,且占地面积小,效率高,其增产节能优越性正日益显现。地面直驱螺杆泵采用永磁同步电机驱动,取消了皮带传动、减速箱齿轮二级减速的驱动装置,配备INVT新一代的开环矢量变频器Goodrive300,采用电磁刹车的方式,使泵杆弹性变形缓慢的释放,整个系统简洁而又紧凑,操作简单,运行高效平稳。


2.地面直驱螺杆泵介绍
       永磁同步电机直驱螺杆泵由机械传动系统和电气控制系统组成,它取消了传统的皮带传动、减速箱减速装置、停机防反转机械装置等,低速永磁同步电机直接驱动光杆带动井下螺杆泵,其结构如图1所示。动力传输方式是:电机的扭矩由电机空心轴-密封连接套-方卡子-光杆。光杆通过电机的空心轴伸出,通过方卡子与电机空心轴联接,将电机扭矩传递到泵杆上。井口的轴向承载和机械密封装置设计在电机的下端面和空心轴内,从而实现轴向承载、机械密封及动力电机基于一体的设计。密封组合将动密封与静密封组合在一起,保证采出液不外漏,电机的下端与承重段联接,它承担全部泵组的重量,承重段的承重轴承应用润滑油润滑,方便维修和换油。另外,在承重装置壳体的上法兰增加了一个溢流通道,将机械密封正常工作时产生的微小泄露液体排出,防止造成机油乳化降低润滑效果。

  

图1永磁同步电机直驱螺杆泵外观图及结构图

       直接驱动方式不需要配置减速箱,不但提高了系统的工作效率,也避免了传统螺杆泵采油系统经常出现的更换皮带轮、添加润滑油、改变生产参数和管理维护不便等问题。

3.采用Goodrive300驱动的直驱式螺杆泵驱动控制系统技术特点
3.1采用永磁同步电动机驱动的优点
      普通螺杆泵的机械传动效率只有80%左右,而通过电机直接驱动光杆,传动效率可以达到98%。直驱式螺杆泵的驱动电机为永磁同步电机,永磁同步电机虽然不可直接启动,但它具有以下特点:
    (1)体积小,功率密度大,结构紧凑。
    (2)运行效率高。转子转速与定子旋转磁场完全同步,与异步电机相比,无转子损耗;与普通电励磁同步电机相比,转子不需外加励磁电源,消除了励磁损耗。因此,永磁同步电机的额定效率可达到94%以上。永磁同步电机轻载时效率高,最高可达额定值的96%左右,而异步电机在轻载运行时的效率远低于其额定值。因此,在大部分运行时间处于轻载状态的工况下,永磁同步电机的节电效果更加理想。综合来看,永磁同步电机的效率比同规格感应电机提高6%~10%。
    (3)功率因数高。由于转子为永磁体,永磁同步电机定子侧无需提供励磁电流,并且电感压降比较小,在轻载和重载范围内功率因数都比较高,即保证整个功率范围内保持较高的功率因数,由于异步驱动电机在轻负载运行时功率因数低,因此使用永磁同步电机后的无功节电效果相当显著。
    (4)启动力矩大,过载能力强,且适合于做多对极,可不加传动箱直接驱动负载。
3.2 Goodrive300永磁同步电动机系统
      地面直驱式螺杆泵抽油机启动扭矩大,要求配置高性能的驱动控制器,INVT新一代Goodrive300变频器选用TI公司最新推出的32位DSP芯片,具有专门针对永磁同步电动机的矢量控制,具有很高的电机控制性能及精度,其主要技术特点[1]如下:
     ●永磁同步电机开环矢量控制启动扭矩为2Hz/200%;
     ●过载能力:150%额定电流60s;180%额定电流10s;
     ●开环控制精度可达0.2%最高转速;
     ●可支持2组同步电机切换控制;
     ●支持Modbus、Profibus、以太网、CAN总线通讯协议;
     ●具有转速追踪功能,轻松实现任何时候电机无冲击启动;
     ●0s加速时间,可直接启动而不过流;
     ●标配数字电位器,并支持多种灵活频率调节模式;
     ●可支持参数拷贝和下载;
     ●故障代码多达36种,记录前6次故障代码以及前3次详细的故障信息;
     ●可采用法兰式安装,节省客户安装空间;
      Goodrive300采用注入电流的方式可在30ms内完成初始磁极位置的检测从而保证启动转矩大及控制电机不失步,控制系统简单,系统的启动性能、速度精度、稳定度等完全满足工况要求。
      由于螺杆泵抽油机系统停机过程比较复杂,反转时存在安全隐患,若反转扭矩过大导致转速失控将造成抽油杆折断等严重后果。Goodrive300变频器具有转速追踪功能,当螺杆泵转速失控时,可以平滑无冲击启动变频器(电机),让其反扭矩在受控的情况下缓慢释放。
      Goodrive300支持Modbus、Profibus等通讯功能,可以为构建油田自动化、数字化提供标准通讯接口。另外,螺杆泵抽油机防反转一直是这种抽油方式最大的控制问题,若采用其他控制器(如PLC)来控制变频器,则可以编入防反转程序,最大限度的保证停机的安全可靠。
      采用Goodrive300变频驱动永磁同步电机在不同频率和不同负载下其整体效率(变频器+电机)高,可达93%(在江汉石油某机械厂试验测试平均数据)。螺杆泵抽油机为恒转矩负载,它在不同的井况下有不同的最佳运行工况,在保证单井最大的采液量的情况下,控制螺杆泵的转速至最低可最大限度的降低电机的运行功率,加之整套系统本身的高效率,单井抽油系统将实现最佳运行,从宏观上看,也可节约整个采油厂成本,对经济发展亦有积极作用。


4.基于Goodrive300的地面直驱螺杆泵电气控制方案
4.1数字化油田中采用停机程序防反转的控制方案
       为响应国家规划发展战略,提供企业核心竞争力,完成节能减排的目标,国内石油公司正大力加快技术装备更新改造,数字化也成为油田建设的发展趋势。典型井场数字化方案如图2所示。

 图2 典型井场数字化方案

       在直驱式螺杆泵数字化方案中可以用通讯控制变频器,若变频器的启停和频率给定完全用通讯控制,则在控制器中可以编入停机程序,以便当采用自动控制(通讯控制)时缓慢释放反扭矩。当发出停机命令时,Goodrive300将变频器控制方式变为扭矩模式再由控制器发出制动力矩信号,经过一定的延时时间后再停止变频器。
       在油田的实际运行中,为了提高抽油机控制的可靠性,一般会备用一路端子硬接的控制方式,从而在整个直驱螺杆泵的控制中形成手动/自动控制,手动为端子控制变频器,自动为通讯控制变频器。变频器直接接入主电路,控制方式切换采用端子切换。
        采用变频器缓慢释放反扭矩的方案变频器需配置制动单元和制动电阻,抽油杆储存的弹性形变能量可由制动电阻消耗掉。其主电路和控制电路如图3和图4所示。

       

图3 系统主电路

                                                                     图4 系统控制电路

4.2能耗制动防反转方案
      若油田数字化水平比较落后,可采用本地手动控制+能耗制动防反转方式。以山东某油田某井场为例来说明这种控制方案。要求在变频器拖动满负荷情况下电机运行转速达到200转/分,启动转矩达到1600 N•M,其电机参数如表1所示。

    

1 电机参数

      地面直驱螺杆泵永磁同步电机功率为31kW,额定电流为64A,充分考虑其高启动扭矩的负载特点,选用Goodrive300-037G/045P-4变频器驱动。由于在螺杆泵停机时,存在弹性反扭矩,抽油杆柱将高速反转,若不加以限制,势必会造成抽油杆脱扣。因此,可以采取电气能耗制动的方法防止反转,利用泄放电阻进行能耗制动,将抽油杆储存的弹性变形能带动电机轴旋转发出的电能释放。电路中采用常开/常闭触点的交流接触器组。正常工作时,交流接触器主触点闭合,驱动器与力矩电机绕组连接,电机正常运行。断电时,交流接触器主触点断开,电机绕组与驱动器断开,同时交流接触器辅助触点闭合,电机绕组与3个能耗电阻短接。如果螺杆泵反转,则电机变成了发电机,发出的电在电阻上消耗,即把传动杆变形产生的机械能转化成电阻上的热能消耗,此时电机转子会缓慢地反转直至停止,达到保护目的。地面直驱式螺杆泵的电气控制原理图如图5所示。

            

图5 地面直驱式螺杆泵的电气控制原理图

       地面直驱螺杆泵抽油机在变频柜门板上进行操作,变频控制柜门板上有启动、停止、故障复位按钮,相应的变频器控制方案是端子控制方式,若以后井场实行数字化,Goodrive300所标准配置的Modbus通讯协议将为其提供井场底层数字化解决方案。Goodrive300变频器控制I/O接线标准图如图6所示。

图6 Goodrive300变频器控制I/O接线标准图

       Goodrive300变频器通过自身提供的接线端子,辅以电气控制回路,对螺杆泵实现本地控制,整个系统安装在变频柜中,变频柜的合理设计是保证其在恶劣条件下(如多沙尘地区)长期稳定工作的关键。
       按照电气控制方案接线图将系统连线接好,经过现场试验,启动转矩达到1800 N•M以上,在不超过420伏的情况下,变频器拖动满负荷电机运行转速可达到230转/分,电流始终维持在64.5A左右,输出电流波形也非常好,超出用户的要求。


5.结束语
       通过在油田长时间的运行观察和一线员工的反馈,由Goodrive300驱动的地面直驱式螺杆泵抽油机系统运行良好,与传统的异步机带减速装置驱动螺杆泵的方式相比,节电率高达30%以上。目前,经过将近1年的实践运行,INVT的Goodrive300变频器受到了油田工作人员的好评。实践证明,Goodrive300在驱动直驱式螺杆泵永磁电动机上有着可靠的性能,变频器本身亦有诸多的技术特色,作为具有专门针对同步电动机功能的通用型变频器,Goodrive300将为油田的节能改造和数字建设提供底层解决方案。

参考文献
 [1] 深圳英威腾电气股份有限公司. Goodrive300矢量通用型变频器说明书[Z].2010.

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