摘要：地面直驅(qū)式螺桿泵是在螺桿泵基礎(chǔ)上發(fā)展而成的抽油機(jī)械，采用永磁同步電機(jī)帶動光桿直接驅(qū)動井下螺桿泵，減少了機(jī)械減速器和皮帶減速器，效率很高。本文介紹了英威騰Goodrive300開環(huán)矢量型變頻器在地面直驅(qū)螺桿泵上的應(yīng)用，其控制性能可靠，節(jié)能效率高。本文僅以37kW的Goodrive300變頻器為例進(jìn)行分析，并為地面直驅(qū)式螺桿泵的節(jié)能改造提供應(yīng)用方案。
關(guān)鍵詞：變頻器 地面直驅(qū)螺桿泵 英威騰
1、引言
地面直驅(qū)螺桿泵是近年來迅速發(fā)展起來的一種采油機(jī)械，特別適合高黏稠、高含氣、高含砂、高含水以及低產(chǎn)油井的原油開采，能有效地克服氣鎖、砂卡等現(xiàn)象，且占地面積小，效率高，其增產(chǎn)節(jié)能優(yōu)越性正日益顯現(xiàn)。地面直驅(qū)螺桿泵采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動，取消了皮帶傳動、減速箱齒輪二級減速的驅(qū)動裝置，配備INVT新一代的開環(huán)矢量變頻器Goodrive300，采用電磁剎車的方式，使泵桿彈性變形緩慢的釋放，整個(gè)系統(tǒng)簡潔而又緊湊，操作簡單，運(yùn)行高效平穩(wěn)。
2、地面直驅(qū)螺桿泵介紹
永磁同步電機(jī)直驅(qū)螺桿泵由機(jī)械傳動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，它取消了傳統(tǒng)的皮帶傳動、減速箱減速裝置、停機(jī)防反轉(zhuǎn)機(jī)械裝置等，低速永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動光桿帶動井下螺桿泵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。動力傳輸方式是：電機(jī)的扭矩由電機(jī)空心軸-密封連接套-方卡子-光桿。光桿通過電機(jī)的空心軸伸出，通過方卡子與電機(jī)空心軸聯(lián)接，將電機(jī)扭矩傳遞到泵桿上。井口的軸向承載和機(jī)械密封裝置設(shè)計(jì)在電機(jī)的下端面和空心軸內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)軸向承載、機(jī)械密封及動力電機(jī)基于一體的設(shè)計(jì)。密封組合將動密封與靜密封組合在一起，保證采出液不外漏，電機(jī)的下端與承重段聯(lián)接，它承擔(dān)全部泵組的重量，承重段的承重軸承應(yīng)用潤滑油潤滑，方便維修和換油。另外，在承重裝置殼體的上法蘭增加了一個(gè)溢流通道，將機(jī)械密封正常工作時(shí)產(chǎn)生的微小泄露液體排出，防止造成機(jī)油乳化降低潤滑效果。
圖1永磁同步電機(jī)直驅(qū)螺桿泵外觀圖及結(jié)構(gòu)圖
直接驅(qū)動方式不需要配置減速箱，不但提高了系統(tǒng)的工作效率，也避免了傳統(tǒng)螺桿泵采油系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的更換皮帶輪、添加潤滑油、改變生產(chǎn)參數(shù)和管理維護(hù)不便等問題。
3、采用Goodrive300驅(qū)動的直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動控制系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)
3.1、采用永磁同步電動機(jī)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)
普通螺桿泵的機(jī)械傳動效率只有80%左右，而通過電機(jī)直接驅(qū)動光桿，傳動效率可以達(dá)到98%。直驅(qū)式螺桿泵的驅(qū)動電機(jī)為永磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)雖然不可直接啟動，但它具有以下特點(diǎn)：
（1）體積小，功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊。
（2）運(yùn)行效率高。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場完全同步，與異步電機(jī)相比，無轉(zhuǎn)子損耗；與普通電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子不需外加勵(lì)磁電源，消除了勵(lì)磁損耗。因此，永磁同步電機(jī)的額定效率可達(dá)到94％以上。永磁同步電機(jī)輕載時(shí)效率高，最高可達(dá)額定值的96％左右，而異步電機(jī)在輕載運(yùn)行時(shí)的效率遠(yuǎn)低于其額定值。因此，在大部分運(yùn)行時(shí)間處于輕載狀態(tài)的工況下，永磁同步電機(jī)的節(jié)電效果更加理想。綜合來看，永磁同步電機(jī)的效率比同規(guī)格感應(yīng)電機(jī)提高6%~10%。
（3）功率因數(shù)高。由于轉(zhuǎn)子為永磁體，永磁同步電機(jī)定子側(cè)無需提供勵(lì)磁電流，并且電感壓降比較小，在輕載和重載范圍內(nèi)功率因數(shù)都比較高，即保證整個(gè)功率范圍內(nèi)保持較高的功率因數(shù)，由于異步驅(qū)動電機(jī)在輕負(fù)載運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)低，因此使用永磁同步電機(jī)后的無功節(jié)電效果相當(dāng)顯著。
（4）啟動力矩大，過載能力強(qiáng)，且適合于做多對極，可不加傳動箱直接驅(qū)動負(fù)載。
3.2 Goodrive300永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)
地面直驅(qū)式螺桿泵抽油機(jī)啟動扭矩大，要求配置高性能的驅(qū)動控制器，INVT新一代Goodrive300變頻器選用TI公司最新推出的32位DSP芯片，具有專門針對永磁同步電動機(jī)的矢量控制，具有很高的電機(jī)控制性能及精度，其主要技術(shù)特點(diǎn)[1]如下：
永磁同步電機(jī)開環(huán)矢量控制啟動扭矩為2Hz/200%；
過載能力：150%額定電流60s；180%額定電流10s；
開環(huán)控制精度可達(dá)0.2%最高轉(zhuǎn)速；
可支持2組同步電機(jī)切換控制；
支持Modbus、Profibus、以太網(wǎng)、CAN總線通訊協(xié)議；
具有轉(zhuǎn)速追蹤功能，輕松實(shí)現(xiàn)任何時(shí)候電機(jī)無沖擊啟動；
0s加速時(shí)間，可直接啟動而不過流；
標(biāo)配數(shù)字電位器，并支持多種靈活頻率調(diào)節(jié)模式；
可支持參數(shù)拷貝和下載；
故障代碼多達(dá)36種，記錄前6次故障代碼以及前3次詳細(xì)的故障信息；
可采用法蘭式安裝，節(jié)省客戶安裝空間；
Goodrive300采用注入電流的方式可在30ms內(nèi)完成初始磁極位置的檢測從而保證啟動轉(zhuǎn)矩大及控制電機(jī)不失步，控制系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)的啟動性能、速度精度、穩(wěn)定度等完全滿足工況要求。
由于螺桿泵抽油機(jī)系統(tǒng)停機(jī)過程比較復(fù)雜，反轉(zhuǎn)時(shí)存在安全隱患，若反轉(zhuǎn)扭矩過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速失控將造成抽油桿折斷等嚴(yán)重后果。Goodrive300變頻器具有轉(zhuǎn)速追蹤功能，當(dāng)螺桿泵轉(zhuǎn)速失控時(shí)，可以平滑無沖擊啟動變頻器（電機(jī)），讓其反扭矩在受控的情況下緩慢釋放。
Goodrive300支持Modbus、Profibus等通訊功能，可以為構(gòu)建油田自動化、數(shù)字化提供標(biāo)準(zhǔn)通訊接口。另外，螺桿泵抽油機(jī)防反轉(zhuǎn)一直是這種抽油方式最大的控制問題，若采用其他控制器（如PLC）來控制變頻器，則可以編入防反轉(zhuǎn)程序，最大限度的保證停機(jī)的安全可靠。
采用Goodrive300變頻驅(qū)動永磁同步電機(jī)在不同頻率和不同負(fù)載下其整體效率（變頻器+電機(jī)）高，可達(dá)93%（在江漢石油某機(jī)械廠試驗(yàn)測試平均數(shù)據(jù)）。螺桿泵抽油機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，它在不同的井況下有不同的最佳運(yùn)行工況，在保證單井最大的采液量的情況下，控制螺桿泵的轉(zhuǎn)速至最低可最大限度的降低電機(jī)的運(yùn)行功率，加之整套系統(tǒng)本身的高效率，單井抽油系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行，從宏觀上看，也可節(jié)約整個(gè)采油廠成本，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展亦有積極作用。
4、基于Goodrive300的地面直驅(qū)螺桿泵電氣控制方案
4.1、數(shù)字化油田中采用停機(jī)程序防反轉(zhuǎn)的控制方案
為響應(yīng)國家規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略，提供企業(yè)核心競爭力，完成節(jié)能減排的目標(biāo)，國內(nèi)石油公司正大力加快技術(shù)裝備更新改造，數(shù)字化也成為油田建設(shè)的發(fā)展趨勢。典型井場數(shù)字化方案如圖2所示。
圖2 典型井場數(shù)字化方案
在直驅(qū)式螺桿泵數(shù)字化方案中可以用通訊控制變頻器，若變頻器的啟停和頻率給定完全用通訊控制，則在控制器中可以編入停機(jī)程序，以便當(dāng)采用自動控制（通訊控制）時(shí)緩慢釋放反扭矩。當(dāng)發(fā)出停機(jī)命令時(shí)，Goodrive300將變頻器控制方式變?yōu)榕ぞ啬Ｊ皆儆煽刂破靼l(fā)出制動力矩信號，經(jīng)過一定的延時(shí)時(shí)間后再停止變頻器。
在油田的實(shí)際運(yùn)行中，為了提高抽油機(jī)控制的可靠性，一般會備用一路端子硬接的控制方式，從而在整個(gè)直驅(qū)螺桿泵的控制中形成手動/自動控制，手動為端子控制變頻器，自動為通訊控制變頻器。變頻器直接接入主電路，控制方式切換采用端子切換。
采用變頻器緩慢釋放反扭矩的方案變頻器需配置制動單元和制動電阻，抽油桿儲存的彈性形變能量可由制動電阻消耗掉。其主電路和控制電路如圖3和圖4所示。
圖3 系統(tǒng)主電路
圖4 系統(tǒng)控制電路
4.2、能耗制動防反轉(zhuǎn)方案
若油田數(shù)字化水平比較落后，可采用本地手動控制+能耗制動防反轉(zhuǎn)方式。以山東某油田某井場為例來說明這種控制方案。要求在變頻器拖動滿負(fù)荷情況下電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速達(dá)到200轉(zhuǎn)/分，啟動轉(zhuǎn)矩達(dá)到1600 N•M，其電機(jī)參數(shù)如表1所示。
表1 電機(jī)參數(shù)
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電機(jī)額定功率 |
31kW |
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額定電流 |
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額定頻率 |
40Hz |
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極對數(shù) |
12 |
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額定電壓 |
380V |
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額定輸出轉(zhuǎn)矩 |
1500N·M |
地面直驅(qū)螺桿泵永磁同步電機(jī)功率為31kW，額定電流為64A，充分考慮其高啟動扭矩的負(fù)載特點(diǎn)，選用Goodrive300-037G/045P-4變頻器驅(qū)動。由于在螺桿泵停機(jī)時(shí)，存在彈性反扭矩，抽油桿柱將高速反轉(zhuǎn)，若不加以限制，勢必會造成抽油桿脫扣。因此，可以采取電氣能耗制動的方法防止反轉(zhuǎn)，利用泄放電阻進(jìn)行能耗制動，將抽油桿儲存的彈性變形能帶動電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)發(fā)出的電能釋放。電路中采用常開/常閉觸點(diǎn)的交流接觸器組。正常工作時(shí)，交流接觸器主觸點(diǎn)閉合，驅(qū)動器與力矩電機(jī)繞組連接，電機(jī)正常運(yùn)行。斷電時(shí)，交流接觸器主觸點(diǎn)斷開，電機(jī)繞組與驅(qū)動器斷開，同時(shí)交流接觸器輔助觸點(diǎn)閉合，電機(jī)繞組與3個(gè)能耗電阻短接。如果螺桿泵反轉(zhuǎn)，則電機(jī)變成了發(fā)電機(jī)，發(fā)出的電在電阻上消耗，即把傳動桿變形產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電阻上的熱能消耗，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子會緩慢地反轉(zhuǎn)直至停止，達(dá)到保護(hù)目的。地面直驅(qū)式螺桿泵的電氣控制原理圖如圖5所示。
圖5 地面直驅(qū)式螺桿泵的電氣控制原理圖
地面直驅(qū)螺桿泵抽油機(jī)在變頻柜門板上進(jìn)行操作，變頻控制柜門板上有啟動、停止、故障復(fù)位按鈕，相應(yīng)的變頻器控制方案是端子控制方式，若以后井場實(shí)行數(shù)字化，Goodrive300所標(biāo)準(zhǔn)配置的Modbus通訊協(xié)議將為其提供井場底層數(shù)字化解決方案。Goodrive300變頻器控制I/O接線標(biāo)準(zhǔn)圖如圖6所示。
圖6 Goodrive300變頻器控制I/O接線標(biāo)準(zhǔn)圖
Goodrive300變頻器通過自身提供的接線端子，輔以電氣控制回路，對螺桿泵實(shí)現(xiàn)本地控制，整個(gè)系統(tǒng)安裝在變頻柜中，變頻柜的合理設(shè)計(jì)是保證其在惡劣條件下（如多沙塵地區(qū)）長期穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。
按照電氣控制方案接線圖將系統(tǒng)連線接好，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，啟動轉(zhuǎn)矩達(dá)到1800 N•M以上，在不超過420伏的情況下，變頻器拖動滿負(fù)荷電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速可達(dá)到230轉(zhuǎn)/分，電流始終維持在64.5A左右，輸出電流波形也非常好，超出用戶的要求。
5、結(jié)束語
通過在油田長時(shí)間的運(yùn)行觀察和一線員工的反饋，由Goodrive300驅(qū)動的地面直驅(qū)式螺桿泵抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行良好，與傳統(tǒng)的異步機(jī)帶減速裝置驅(qū)動螺桿泵的方式相比，節(jié)電率高達(dá)30%以上。目前，經(jīng)過將近1年的實(shí)踐運(yùn)行，INVT的Goodrive300變頻器受到了油田工作人員的好評。實(shí)踐證明，Goodrive300在驅(qū)動直驅(qū)式螺桿泵永磁電動機(jī)上有著可靠的性能，變頻器本身亦有諸多的技術(shù)特色，作為具有專門針對同步電動機(jī)功能的通用型變頻器，Goodrive300將為油田的節(jié)能改造和數(shù)字建設(shè)提供底層解決方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 深圳英威騰電氣股份有限公司. Goodrive300矢量通用型變頻器說明書[Z].2010.
關(guān)于英威騰：
英威騰，成立于2002年，致力于成為全球領(lǐng)先、受人尊敬的電氣傳動、工業(yè)控制、新能源領(lǐng)域產(chǎn)品與服務(wù)供應(yīng)商，2010年在深交所A股上市。英威騰是國家火炬計(jì)劃重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，總部員工1100多人，國內(nèi)、外辦事處30余個(gè)，控股子公司9家，業(yè)務(wù)涉及電氣傳動、工業(yè)自動化、新能源、軌道交通牽引、礦用防爆、能源管理、樓宇智能等領(lǐng)域。在基礎(chǔ)業(yè)務(wù)變頻器領(lǐng)域，英威騰占據(jù)國內(nèi)領(lǐng)先地位，擁有覆蓋高、中、低壓通用及各行業(yè)專用豐富的產(chǎn)品系列，產(chǎn)品在市政、塑膠、油田、化工、冶金、紡織、機(jī)床、礦山等行業(yè)廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品銷售遍布全球60多個(gè)國家和地區(qū)。
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