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(dòng)光桿直接驅(qū)動(dòng)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(lái)迅速發(fā)展起來(lái)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(dòng)，取消了皮帶傳動(dòng)、減速箱齒輪二級(jí)減速的驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)潔而又緊湊，操作簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)、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(dòng)光桿帶動(dòng)井下螺桿泵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。動(dòng)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(guò)電機(jī)的空心軸伸出，通過(guò)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(dòng)力電機(jī)基于一體的設(shè)計(jì)。密封組合將動(dòng)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(rùn)滑油潤(rùn)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(rùn)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(dòng)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(rùn)滑油、改變生產(chǎn)參數(shù)和管理維護(hù)不便等問(wèn)題。
3、采用Goodrive300驅(qū)動(dòng)的直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)
3.1、采用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)
普通螺桿泵的機(jī)械傳動(dòng)效率只有80%左右，而通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)光桿，傳動(dòng)效率可以達(dá)到98%。直驅(qū)式螺桿泵的驅(qū)動(dòng)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(dòng)，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(chǎng)完全同步，與異步電機(jī)相比，無(wú)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(lái)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(wú)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(dòng)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(wú)功節(jié)電效果相當(dāng)顯著。
（4）啟動(dòng)力矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，且適合于做多對(duì)極，可不加傳動(dòng)箱直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
3.2 Goodrive300永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)
地面直驅(qū)式螺桿泵抽油機(jī)啟動(dòng)扭矩大，要求配置高性能的驅(qū)動(dòng)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(duì)永磁同步電動(dòng)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(dòng)扭矩為2Hz/200%；
過(guò)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(wú)沖擊啟動(dòng)；
0s加速時(shí)間，可直接啟動(dòng)而不過(guò)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(cè)從而保證啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大及控制電機(jī)不失步，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的啟動(dòng)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(guò)程比較復(fù)雜，反轉(zhuǎn)時(shí)存在安全隱患，若反轉(zhuǎn)扭矩過(guò)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(wú)沖擊啟動(dòng)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(dòng)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(wèn)題，若采用其他控制器（如PLC）來(lái)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(dòng)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(cè)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(duì)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(guó)家規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略，提供企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，完成節(jié)能減排的目標(biāo)，國(guó)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(shì)。典型井場(chǎng)數(shù)字化方案如圖2所示。
圖2 典型井場(chǎng)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(dòng)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(dòng)力矩信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(huì)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(dòng)/自動(dòng)控制，手動(dòng)為端子控制變頻器，自動(dòng)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(dòng)單元和制動(dòng)電阻，抽油桿儲(chǔ)存的彈性形變能量可由制動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制+能耗制動(dòng)防反轉(zhuǎn)方式。以山東某油田某井場(chǎng)為例來(lái)說(shuō)明這種控制方案。要求在變頻器拖動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)扭矩的負(fù)載特點(diǎn)，選用Goodrive300-037G/045P-4變頻器驅(qū)動(dòng)。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(shì)必會(huì)造成抽油桿脫扣。因此，可以采取電氣能耗制動(dòng)的方法防止反轉(zhuǎn)，利用泄放電阻進(jìn)行能耗制動(dòng)，將抽油桿儲(chǔ)存的彈性變形能帶動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)、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(chǎng)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(chǎng)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(guò)自身提供的接線端子，輔以電氣控制回路，對(duì)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(zhǎng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到1800 N•M以上，在不超過(guò)420伏的情況下，變頻器拖動(dòng)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(yǔ)
通過(guò)在油田長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行觀察和一線員工的反饋，由Goodrive300驅(qū)動(dòng)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(dòng)螺桿泵的方式相比，節(jié)電率高達(dá)30%以上。目前，經(jīng)過(guò)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(píng)。實(shí)踐證明，Goodrive300在驅(qū)動(dòng)直驅(qū)式螺桿泵永磁電動(dòng)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(duì)同步電動(dòng)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(shuō)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(dòng)、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(guó)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(guó)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(dòng)、工業(yè)自動(dòng)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(guó)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(guó)家和地區(qū)。
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