ZLBQ55型直驱式螺杆泵驱动装置设计

陈晓军,王兴燕

(北京石油机械厂,北京100083)

ZLBQ55型直驱式螺杆泵驱动装置设计

陈晓军,王兴燕

(北京石油机械厂,北京100083)

直驱式螺杆泵驱动装置是国内新出现的一种螺杆泵地面驱动装置,设计的ZLBQ55型直驱式螺杆泵驱动装置与常规地面驱动装置异步电机+减速机构的驱动方式不同,是利用低速、大扭矩电机直接驱动抽油杆柱。介绍了该装置的设计参数、结构、控制系统和整机试验。

螺杆泵;直驱;设计

常规电驱动螺杆泵地面驱动装置采用异步电机作为原动机,通过皮带轮和锥齿轮减速机构减速后驱动抽油杆柱。这种驱动装置虽然具有结构简单、机械效率高、占地面积小等优势,但在实际使用中仍存在一些问题,如中间减速机构机械损失较高,最大可达15%;电机偏置使驱动装置重心偏离井口轴线,致使光杆偏磨、盘根盒密封泄漏量大;系统零部件多,维护困难等。使用低速大扭矩电机直接驱动抽油杆柱,可解决这些问题[1]。研发的直驱式螺杆泵驱动装置(以下简称直驱装置)用永磁同步电机作为低速电机,采用交流变频调速方式,利用永磁电机反转即发电机原理和能耗电阻消耗掉系统反转产生的电能,实现低速大扭矩电机直接驱动抽油杆柱。

1 基本参数

北京石油机械厂(以下简称北石厂)采油螺杆泵系列产品主要出口到苏丹、埃及、印尼等国家和地区。苏丹地区的油井具有产液量高、含砂量高、原油黏度大等特点,因此普遍使用较大功率的螺杆泵驱动装置,其中以55 kW驱动装置最为常用。为满足该地区使用需求,直驱装置设计基本参数为电机功率55 kW,额定转速250 r/min,额定载荷150 kN。

2 直驱电机及控制器[2]

直驱装置的关键是直驱电机。在设计之初考虑使用空心轴异步电机,通过增加电机极数、降低电机频率的方法来降低电机转速。这种方法的优点是电机仍为三相异步电机,可以通用变频器对电机进行控制,技术成熟可靠。缺点是体积庞大,价格昂贵。永磁同步电机是通过增加定子极数来降低额定频率,使用永磁体替代转子线圈的方法可实现电机的低速运转。这种方法的优点是电机体积相对较小,电机采用永磁体,转子和定子同步运转,功率因数高,在额定转速范围内均为高效区,更加节能环保。缺点是电机永磁体在长期高温或震动环境下工作容易退磁,电机一次性投入较高,必须采用专用变频器控制才能启动电机。

国内已有直驱装置采用永磁同步电机。永磁同步电机分为永磁无刷直流电机和永磁交流同步电机2种。永磁无刷直流电机特性类似于常规的直流电机,机械特性曲线为斜线,随着转速的增加输出扭矩减小,采用专用的方波控制器控制电机转速。优点是电机调速方便,控制器结构简单;缺点是功率不易做大,低速运转磁场有脉动。永磁交流同步电动机特性类似于常规的异步变频电机,机械特性曲线为直线,在额定转速范围内能保持恒扭矩输出,采用专用的变频器进行控制。优点是电机结构及控制技术成熟可靠,电机频率与速度同步;缺点是控制器成本较高。

综合考虑以上因素,直驱装置电机采用永磁交流同步电机。为提高系统可靠性,电机与装置的其他部分相对独立,并针对油田现场提出了防爆要求。

3 结构设计

3.1 结构

螺杆泵驱动装置在工作中不仅要传递扭矩给抽油杆柱,还要承受抽油杆柱和举升液体的重力。国内直驱装置通常采用电机内部轴承直接承受轴向载荷和润滑脂润滑轴承方式,该设计的弊端是使直驱电机成为主承载件,主轴承采用脂润滑方式冷却效果差,增大了故障发生的几率。为此,设计了传动空心轴,在电机轴与光杆之间传递扭矩并承受系统的轴向载荷,并最终作用在箱体内的主轴承上,而电机只传递扭矩载荷。直驱装置主要由低速电机、传动空心轴、主轴承、轴承箱、底座法兰和密封盒等组成,如图1。

图1 直驱电机式驱动装置

3.2 工作原理

低速电机通过可靠的连接方式与传动空心轴连接,传动空心轴通过扭矩卡瓦与光杆连接。系统工作时,电机将扭矩传递给传动空心轴,传动空心轴再将扭矩通过扭矩卡瓦传递给光杆,带动井下杆柱旋转。传动空心轴的主轴承承受系统轴向载荷,主轴承采用油润滑,提高了轴承的散热效果,延长了使用寿命。电机只传递扭矩载荷,减少了电机的故障几率。

3.3 传动空心轴强度计算

传动空心轴是直驱装置的主承载件,不仅要传递电机输出的扭矩,还要承受井下杆柱及采出液产生的轴向载荷,受力情况较复杂。用ANSYS有限元软件对传动空心轴进行静载荷作用下的应力分析[3]和校核强度。

3.3.1 加载情况

上端四方处除轴向不施加约束外,其余方向都施加位移约束;主轴承作用面施加轴向位移约束;与电机连接处施加扭矩3 150 N·m;与扭矩卡瓦连接处施加轴向压力150 kN。加载情况如图2。

图2 传动空心轴加载情况

3.3.2 结果分析

传动空心轴在静载荷作用下的Mises应力分布如图3。

图3 传动空心轴Mises应力分布

由图3可见,传动空心轴的最大应力为179 MPa,位于四方根部附近,其值远低于材料的屈服极限[4],所以传动空心轴的设计是安全可靠的。

4 控制系统

直驱装置采用的永磁交流同步电机必须使用专用变频柜进行控制。变频柜内的变频器可实现电机的软启动、软停车和平滑调速,并对电器的过压、过流、短路等故障具有保护功能;变频柜的外部电路能实现对井口压力的开关和电机内置PTC电阻的监控。在变频柜内内置制动电阻,当系统停机时,通过外部电路的常闭交流接触器使电机立即切换到制动电阻回路中,将电机反转产生的电能在制动电阻上消耗掉。

5 试验情况

为保证直驱装置各部件达到设计要求,对直驱装置及变频柜进行联调试验。

a) 对电机性能及变频柜功能进行试验验证。直驱电机最大负载加至3 003 N·m,最大转速为300 r/min,电机表现正常。

b) 控制装置在输入电压低于额定值10%和高于额定值20%的情况下能正常工作。

c) 为验证变频柜的能耗制动功能,在电机轴端连接了飞轮装置,通过电机停机时的惯性旋转来模拟实际工作中井下抽油杆柱所储存的弹性势能。试验表明,飞轮旋转能量能在数秒内通过制动电阻消耗完,满足设计要求。

d) 对直驱装置的发热、噪声、盘根泄漏量、传动空心轴径向跳动等项目进行了检验,该结构设计大大降低了系统的噪声和盘根盒泄漏量。

6 结论

1) ZLBQ55型直驱装置结构设计合理,整体技术水平较高。

2) 采用的永磁交流同步电机及其控制装置技术成熟,系统效率高。

3) 直驱装置占地面积小,维护件少,系统对称无偏置,能提高盘根的密封性,减少光杆偏磨的效果明显。

4) 制动方式设计巧妙,安全可靠。

[1] 孙 双,邓 辉,马永刚,等.新型螺杆泵直驱驱动装置整机的振动分析[J].石油矿场机械,2008,37(7):42-45.

[2] 李钟明.稀土永磁电机[M].北京:国防工业出版社, 1999.

[3] 王勖成,邵 敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].2版.北京:清华大学出版社,1999:84-88.

[4] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1987: 308.

Design of ZLBQ55 Direct Driven Unit for Progressive Cavity Pump

CHEN Xiao-jun,WANG Xing-yan
(Beijing Petroleum Machinery Factory,Bejing100083,China)

Directly driven unit of progressive cavity pump is an advanced driven unit developed in recently years.The unit is different from the original driven unit that it utilizes the low speed and high torque electric motor to drive sucker rod directly.A ZLBQ55 this unit was successfully developed based on the abundant experience at the design and manufacturing of the unit for progres-sive cavity pump.The developed course of the unit and details in the production is introduced.

progressive cavity pump;directly driven unit;design

1001-3482(2010)04-0068-03

TE921.1

A

2009-10-30

陈晓军(1979-),男,黑龙江望奎人,工程师,2005年毕业于大庆石油学院,主要从事采油机械设计工作。