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(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(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(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(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)：
?。?）體積小,，功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊,。
?。?）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%。
?。?）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(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)后的無功節(jié)電效果相當(dāng)顯著。
?。?）啟動(dòng)力矩大,，過載能力強(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(dòng),；
*0s加速時(shí)間，可直接啟動(dòng)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(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(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(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。以勝利油田東營某井場(chǎng)為例來說明這種控制方案,。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,。