TYPL系列螺杆泵驱动系统应用效果分析

杜香芝（大庆油田有限责任公司采油工程研究院）

TYPL系列螺杆泵驱动系统应用效果分析

杜香芝（大庆油田有限责任公司采油工程研究院）

TYPL系列螺杆泵驱动系统采用低速大转矩永磁变频同步电动机直接驱动螺杆泵采油系统，将抽油杆、油负荷的承重及其密封与电动机结构一体化设计，简化了原螺杆泵抽油系统的机械结构，取代了传统的机械式螺杆泵地面驱动部分。由永磁变频控制系统进行转速控制，可根据现场状况调节转速，使系统工作在最佳状态。对TYPL系列螺杆泵驱动系统室内测试效果和现场应用效果进行了分析，得出了TYPL系列螺杆泵驱动系统性能指标均能达到标准要求，同时节电效果明显的结论。

永磁同步电动机；螺杆泵；控制柜

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.007

引言

采油螺杆泵技术作为一种新兴的人工举升方式，具有投资少、设备结构简单、操作方便、节能效果明显以及适应性强等特点，能有效降低采油成本，提高采油效益，由于拥有抽油机、潜油柱塞泵、潜油电泵、水力活塞泵等机采方式无法比拟的优点，倍受国内外油田重视，并逐渐成为油田主要的机采方式之一[1]。采油螺杆泵技术是由地面动力部分带动抽油杆柱旋转，使螺杆泵转子低速转动实现举升的机械采油设备[2]。螺杆泵是一种容积式泵，原油开采过程中不会出现砂卡、结垢、气锁等现象，适用于高含气量、高含砂量原油油井及斜井、水平井的开采和海上采油[3]。目前在油田应用比较广泛的变频电动机主要是异步变频电动机[4]。但异步电动机的效率和功率因数较低，加减速器驱动螺杆泵使机组传动链变长、故障点增加、系统效率进一步降低。为改善电动机的性能指标，提高系统效率，近几年国内外学者开展了永磁同步电动机的研究，主要包括驱动离心泵用的高速潜油永磁同步电动机和驱动螺杆泵用的低速永磁同步电动机。伴随我国油田开采时间的延长和含水量的不断上升，电动机驱动采油技术发展的越来越快，在机组设计制造、油井选择、工况监测、开采测试等方面配套工艺日趋完善，且发展应用前景十分广阔[5]。

以永磁同步电动机为基础，对永磁同步电动机进行了优化设计，并对设计参数进行了模拟试验验证，通过样机试制、试验，室内测试效果和现场应用效果进行了分析，得出TYPL系列螺杆泵驱动系统性能指标达到标准要求，节电效果明显。

1 产品优化设计

1.1 系统机械部分优化设计

1）由于TYPL永磁变频螺杆泵专用电动机在油井上使用，机壳要具有防爆功能，因此要按防爆电动机的标准执行，选用防爆电动机外壳，同时电动机要能承受较大的轴向力。电动机要求定、转子要同心。

2）由于其与螺杆泵直接连接，要求连接牢固、可靠，其关键点是要合理设计转子结构。

3）永磁变频螺杆泵专用电动机直接安装在油井上，电动机的法兰与油井井口的法兰固定在一起，螺杆泵的泵杆穿过电动机的空心轴，在电动机的上端与电动机轴连接，因此原油的密封就要由电动机来完成，这就要求密封器密封可靠、检修和更换方便。

1.2 系统控制部分优化设计

变频器与电动机之间应尽量避免安装接触器一类的器件，而电动机要发电制动，就必须在电动机接线端子处接入电阻，来消耗电动机的动能转换出来的电能。可是在系统正常工作时，又不得接入制动电阻，以防变频器提供的电能在制动电阻上消耗。发电制动线路如图1所示，在变频器得电时，接触器线圈得点打开常闭出点，电阻不构成闭合回路，电阻不工作，在变频器失电时，直流母线电压消失，接触器打开，常闭触点闭合，电阻经接触器常闭出点构成闭合回路，电阻开始工作，进行能耗制动。

表1 测试数据结果统计

图1 发电制动线路图

1.3 系统电磁优化设计

为了满足较高的稳定性要求，降低齿槽转矩和转矩脉动系数，减小振动和噪声，选取适当的定子槽口宽度和气隙长度。定子槽口越宽，气隙长度越短，齿转矩越大，转矩脉动系数就越高，但漏磁越小。为了兼顾齿槽转矩、转矩脉动系数和效率，适当选取磁极偏移角，根据定子槽数和极数选取适当的磁极偏移角，可以有效的削弱齿槽转矩。

齿槽转矩定义为电动机不通电时的磁场能量W对定转子相对位置角α的负导数，即

式中：Tcog——齿槽转矩，N·m；

W——磁场能量，J。

α——定转子相对位置角，°。

因此在设计过程中从齿槽转矩产生的机理出发采取如下措施降齿槽转矩：

1）改变磁极参数：合理设计磁极的磁密幅值，削弱电动机的齿槽转矩。

2）改变电枢参数：合理设计电枢槽型及槽口宽度，削弱电动机的齿槽转矩。

3）合理选择电动机的极、槽配合。

通过样机的现场试验，很好的满足了采油要求。

2 应用效果分析

2.1 室内测试效果分析

对100台TYPL系列永磁变频螺杆泵专用电动机进行了抽样测试，主要测试内容包括：传动效率、过载能力、反转控制性能、温升。测试结果见表1。

通过测试结果可以看出，抽样测试的10套TYPL永磁变频螺杆泵专用电动机系统的4个检测项目的8项技术指标均能达到标准要求。

2.2 现场应用效果分析

对现场50口螺杆泵井安装TYPL系列永磁变频螺杆泵专用电动机系统进行了节能效果对比跟踪测试，对安装前后的生产数据进行了统计，统计结果见表2。

表2 50口螺杆泵井安装专用电动机前后平均测试数据

通过统计结果可以看出，单井有功功率下降1.22 kW，无功功率下降8.04 kW，功率因数提高0.38，系统效率上升了5.41%。单井日节电达29.28 kWh，单井年节电1.054×104kWh，电价按0.989元/kWh计算，单井年节约电费1.04万元，50口井可实现年节约电费52万元，节能效果显著。

3 结论

通过对永磁同步电动机的机械部分、控制部分、电磁部分的设计优化，TYPL永磁变频螺杆泵专用电动机系统已在石油行业广泛应用，并取得了较好的应用效果。主要通过减少减速机构，降低了机械成本；通过减小电动机体积，减少了占地面积；达到了高效运行，安全生产的目的，节能效果显著。

[1]崔俊国，肖文生，喻高远，等.潜油永磁同步电动机国内外研究进展[J].电动机与控制应用，2015（3）：7-12．

[2]吕斌.潜油直驱螺杆泵采油技术研究[D].西安：西安石油大学，2015.

[3]常志祥.低速永磁潜油电动机设计研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2016.

[4]张宝柱，王道军.永磁电动机的设计与应用[J].内蒙古石油化工，2012（23）：26-27.

[5]蔡淑兰.潜油电动机驱动采油技术的发展[J].化学工程与装备，2014（10）：157-158.

（编辑 沙力妮）

辽河油田公司吹响节能宣传周活动集合号

本月11日至17日是全国节能宣传周，辽河油田公司紧密围绕“开源节流降本增效”工作总体部署，在公司范围内举行了主题为“节能有我，绿色共享”的节能宣传活动，着力提高全员节能意识，深入挖掘节能潜力，促进油田各生产系统能效水平的持续提升。

长期以来，辽河油田公司一直将节能降耗视为企业可持续发展的“重头戏”，“十二五”期间超额完成节能任务指标，连续13年被评为“中国石油天然气集团公司节能节水先进企业”，并实现“十三五”节能工作良好开局。

配合“开源节流降本增效”工作是今年节能宣传周系列活动的最大特点。借着此次节能宣传周的契机对相关工作进行重点审查，保证任务完成质量。

节能宣传周活动从4个方面进行：开展节能目标责任制检查活动，主要对各单位节能任务指标、节能开源节流降本增效指标分解落实及阶段完成情况进行检查，确认各单位上半年节能任务指标完成进度；开展节能监察活动，在上半年重新编制了能源监察工作方案，以保证能效水平对标、专项资金项目实施等重点工作的实施进度，提升各生产系统能效水平；开展对节能专项项目运行情况的检查，重点检查专项资金使用情况、资金结余情况、项目实施进度、已完成项目运行情况等；开展能源审计研讨与推进活动，能源审计工作是下半年的一项重点工作，组织节能管理人员开展相关培训，重点针对能源审计的程序和方法进行学习研讨。

今年节能宣传周的宣传活动还与《“十三五”节能减排综合工作方案》等相关文件的要求相结合，号召全体员工践行节约“一滴油、一度电、一滴水、一张纸”，从点滴做起，增进节能意识，营造崇尚节约、合理消费与低碳环保的社会风尚，推动形成绿色生产生活方式，助力油田可持续发展。

罗福梅

2017-02-23

杜香芝，工程师，1986年毕业于大庆石油学校（采油专业），从事产品质量监督检验工作，E-mail：duxz@petrochina.com，地址：黑龙江省大庆市采油工程研究院采油工程产品质量监督检验中心，163543。