摘要：地面直驅式螺桿泵是在螺桿泵基礎上發展而成的抽油機械，采用永磁同步電機帶動光桿直接驅動井下螺桿泵，減少了機械減速器和皮帶減速器，效率很高。本文介紹了英威騰Goodrive300開環矢量型變頻器在地面直驅螺桿泵上的應用，其控制性能可靠，節能效率高。本文僅以37kW的Goodrive300變頻器為例進行分析，并為地面直驅式螺桿泵的節能改造提供應用方案。
關鍵詞：變頻器   地面直驅螺桿泵  英威騰

1、引言
        地面直驅螺桿泵是近年來迅速發展起來的一種采油機械，特別適合高黏稠、高含氣、高含砂、高含水以及低產油井的原油開采，能有效地克服氣鎖、砂卡等現象，且占地面積小，效率高，其增產節能優越性正日益顯現。地面直驅螺桿泵采用永磁同步電機驅動，取消了皮帶傳動、減速箱齒輪二級減速的驅動裝置，配備INVT新一代的開環矢量變頻器Goodrive300，采用電磁剎車的方式，使泵桿彈性變形緩慢的釋放，整個系統簡潔而又緊湊，操作簡單，運行高效平穩。
2、地面直驅螺桿泵介紹
        永磁同步電機直驅螺桿泵由機械傳動系統和電氣控制系統組成，它取消了傳統的皮帶傳動、減速箱減速裝置、停機防反轉機械裝置等，低速永磁同步電機直接驅動光桿帶動井下螺桿泵，其結構如圖1所示。動力傳輸方式是：電機的扭矩由電機空心軸-密封連接套-方卡子-光桿。光桿通過電機的空心軸伸出，通過方卡子與電機空心軸聯接，將電機扭矩傳遞到泵桿上。井口的軸向承載和機械密封裝置設計在電機的下端面和空心軸內，從而實現軸向承載、機械密封及動力電機基于一體的設計。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，電機的下端與承重段聯接，它承擔全部泵組的重量，承重段的承重軸承應用潤滑油潤滑，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溢流通道，將機械密封正常工作時產生的微小泄露液體排出，防止造成機油乳化降低潤滑效果。
                                

                                                        圖1永磁同步電機直驅螺桿泵外觀圖及結構圖

        直接驅動方式不需要配置減速箱，不但提高了系統的工作效率，也避免了傳統螺桿泵采油系統經常出現的更換皮帶輪、添加潤滑油、改變生產參數和管理維護不便等問題。

3、采用Goodrive300驅動的直驅式螺桿泵驅動控制系統技術特點
3.1、采用永磁同步電動機驅動的優點
        普通螺桿泵的機械傳動效率只有80%左右，而通過電機直接驅動光桿，傳動效率可以達到98%。直驅式螺桿泵的驅動電機為永磁同步電機，永磁同步電機雖然不可直接啟動，但它具有以下特點：
（1）體積小，功率密度大，結構緊湊。
（2）運行效率高。轉子轉速與定子旋轉磁場完全同步，與異步電機相比，無轉子損耗；與普通電勵磁同步電機相比，轉子不需外加勵磁電源，消除了勵磁損耗。因此，永磁同步電機的額定效率可達到94％以上。永磁同步電機輕載時效率高，最高可達額定值的96％左右，而異步電機在輕載運行時的效率遠低于其額定值。因此，在大部分運行時間處于輕載狀態的工況下，永磁同步電機的節電效果更加理想。綜合來看，永磁同步電機的效率比同規格感應電機提高6%~10%。
（3）功率因數高。由于轉子為永磁體，永磁同步電機定子側無需提供勵磁電流，并且電感壓降比較小，在輕載和重載范圍內功率因數都比較高，即保證整個功率范圍內保持較高的功率因數，由于異步驅動電機在輕負載運行時功率因數低，因此使用永磁同步電機后的無功節電效果相當顯著。
（4）啟動力矩大，過載能力強，且適合于做多對極，可不加傳動箱直接驅動負載。
3.2 Goodrive300永磁同步電動機系統
        地面直驅式螺桿泵抽油機啟動扭矩大，要求配置高性能的驅動控制器，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的矢量控制，具有很高的電機控制性能及精度，其主要技術特點[1]如下：
  永磁同步電機開環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；
  開環控制精度可達0.2%最高轉速；
  可支持2組同步電機切換控制；
  支持Modbus、Profibus、以太網、CAN總線通訊協議；
  具有轉速追蹤功能，輕松實現任何時候電機無沖擊啟動；
  0s加速時間，可直接啟動而不過流；
  標配數字電位器，并支持多種靈活頻率調節模式；
  可支持參數拷貝和下載；
  故障代碼多達36種，記錄前6次故障代碼以及前3次詳細的故障信息；
  可采用法蘭式安裝，節省客戶安裝空間；
      Goodrive300采用注入電流的方式可在30ms內完成初始磁極位置的檢測從而保證啟動轉矩大及控制電機不失步，控制系統簡單，系統的啟動性能、速度精度、穩定度等完全滿足工況要求。
        由于螺桿泵抽油機系統停機過程比較復雜，反轉時存在安全隱患，若反轉扭矩過大導致轉速失控將造成抽油桿折斷等嚴重后果。Goodrive300變頻器具有轉速追蹤功能，當螺桿泵轉速失控時，可以平滑無沖擊啟動變頻器（電機），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，可以為構建油田自動化、數字化提供標準通訊接口。另外，螺桿泵抽油機防反轉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，則可以編入防反轉程序，最大限度的保證停機的安全可靠。
        采用Goodrive300變頻驅動永磁同步電機在不同頻率和不同負載下其整體效率（變頻器+電機）高，可達93%（在江漢石油某機械廠試驗測試平均數據）。螺桿泵抽油機為恒轉矩負載，它在不同的井況下有不同的最佳運行工況，在保證單井最大的采液量的情況下，控制螺桿泵的轉速至最低可最大限度的降低電機的運行功率，加之整套系統本身的高效率，單井抽油系統將實現最佳運行，從宏觀上看，也可節約整個采油廠成本，對經濟發展亦有積極作用。
4、基于Goodrive300的地面直驅螺桿泵電氣控制方案
4.1、數字化油田中采用停機程序防反轉的控制方案
        為響應國家規劃發展戰略，提供企業核心競爭力，完成節能減排的目標，國內石油公司正大力加快技術裝備更新改造，數字化也成為油田建設的發展趨勢。典型井場數字化方案如圖2所示。

                                                                        圖2 典型井場數字化方案

        在直驅式螺桿泵數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程序，以便當采用自動控制（通訊控制）時緩慢釋放反扭矩。當發出停機命令時，Goodrive300將變頻器控制方式變為扭矩模式再由控制器發出制動力矩信號，經過一定的延時時間后再停止變頻器。
        在油田的實際運行中，為了提高抽油機控制的可靠性，一般會備用一路端子硬接的控制方式，從而在整個直驅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 系統主電路

                                                                     圖4 系統控制電路

4.2、能耗制動防反轉方案
        若油田數字化水平比較落后，可采用本地手動控制+能耗制動防反轉方式。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荷情況下電機運行轉速達到200轉/分，啟動轉矩達到1600 N•M，其電機參數如表1所示。

表1 電機參數

        地面直驅螺桿泵永磁同步電機功率為31kW，額定電流為64A，充分考慮其高啟動扭矩的負載特點，選用Goodrive300-037G/045P-4變頻器驅動。由于在螺桿泵停機時，存在彈性反扭矩，抽油桿柱將高速反轉，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，利用泄放電阻進行能耗制動，將抽油桿儲存的彈性變形能帶動電機軸旋轉發出的電能釋放。電路中采用常開/常閉觸點的交流接觸器組。正常工作時，交流接觸器主觸點閉合，驅動器與力矩電機繞組連接，電機正常運行。斷電時，交流接觸器主觸點斷開，電機繞組與驅動器斷開，同時交流接觸器輔助觸點閉合，電機繞組與3個能耗電阻短接。如果螺桿泵反轉，則電機變成了發電機，發出的電在電阻上消耗，即把傳動桿變形產生的機械能轉化成電阻上的熱能消耗，此時電機轉子會緩慢地反轉直至停止，達到保護目的。地面直驅式螺桿泵的電氣控制原理圖如圖5所示。

                                                                      圖5 地面直驅式螺桿泵的電氣控制原理圖

        地面直驅螺桿泵抽油機在變頻柜門板上進行操作，變頻控制柜門板上有啟動、停止、故障復位按鈕，相應的變頻器控制方案是端子控制方式，若以后井場實行數字化，Goodrive300所標準配置的Modbus通訊協議將為其提供井場底層數字化解決方案。Goodrive300變頻器控制I/O接線標準圖如圖6所示。

                                                     圖6 Goodrive300變頻器控制I/O接線標準圖

        Goodrive300變頻器通過自身提供的接線端子，輔以電氣控制回路，對螺桿泵實現本地控制，整個系統安裝在變頻柜中，變頻柜的合理設計是保證其在惡劣條件下（如多沙塵地區）長期穩定工作的關鍵。
        按照電氣控制方案接線圖將系統連線接好，經過現場試驗，啟動轉矩達到1800 N•M以上，在不超過420伏的情況下，變頻器拖動滿負荷電機運行轉速可達到230轉/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、結束語
        通過在油田長時間的運行觀察和一線員工的反饋，由Goodrive300驅動的地面直驅式螺桿泵抽油機系統運行良好，與傳統的異步機帶減速裝置驅動螺桿泵的方式相比，節電率高達30%以上。目前，經過將近1年的實踐運行，INVT的Goodrive300變頻器受到了油田工作人員的好評。實踐證明，Goodrive300在驅動直驅式螺桿泵永磁電動機上有著可靠的性能，變頻器本身亦有諸多的技術特色，作為具有專門針對同步電動機功能的通用型變頻器，Goodrive300將為油田的節能改造和數字建設提供底層解決方案。

參考文獻
       [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.

關于英威騰：

英威騰，成立于2002年，致力于成為全球領先、受人尊敬的電氣傳動、工業控制、新能源領域產品與服務供應商，2010年在深交所A股上市。英威騰是國家火炬計劃重點高新技術企業，總部員工1100多人，國內、外辦事處30余個，控股子公司9家，業務涉及電氣傳動、工業自動化、新能源、軌道交通牽引、礦用防爆、能源管理、樓宇智能等領域。在基礎業務變頻器領域，英威騰占據國內領先地位，擁有覆蓋高、中、低壓通用及各行業專用豐富的產品系列，產品在市政、塑膠、油田、化工、冶金、紡織、機床、礦山等行業廣泛應用，產品銷售遍布全球60多個國家和地區。

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