潜油螺杆泵转子转速机电调控的实施

摘要：潜油螺杆泵采油技术发展的关键是能设计一种使潜油电机转速与螺杆泵的转速相匹配的减速增矩装置。较为可靠的方法是使用减速器来联接潜油电机和螺杆泵。

关键词：潜油螺杆泵 机电调控

由于井下工作空间小，要求减速器传递的功率和传动比大，因此合理选择减速器传的类型以满足潜油螺杆泵工作需求是对提高螺杆泵采油系统的性能起着重要的作用。电动机转速通过减速器的调整属于速度的刚性调整。

一、潜油螺杆泵转子转速机电调控刚性调整策略

在井下管套直径小（

从机械传动的角度来看，一般定轴轮系！NGW型行星轮系都可以实现轴向减速传动。

（1）一般定轴轮系齿轮传动

一般定轴轮系齿轮传动减速器受径向尺寸限制，减速器很难经过单级传动减速达到预定的减速比，外齿轮1接输入轴，内齿轮4作为输出端。经两级减速能够达到螺杆泵所需求的速度。但是定轴轮系传动结构每一级的传动比应达到3左右，由于内齿轮的齿数不能超过50，显然要传递20KW的功率并且速度在1440，只有17齿的小模数齿轮3是做不到的，这就不能满足井下的工作条件。如果采用三级传动将引起轴向尺寸的膨胀，其传动效率无法提高，并且多级传动必然会引起系统稳定性及制造精度的降低。

（2）行星齿轮传动减速器

行星齿轮减速器的研究和应用有着多年的历史。这主要是因为行星传动有很多的优点，比如它有功率分流！结构紧凑！传动功率大承载能力高等特点，使得人们在设计小尺寸大功率的传动时，都要考虑是否能用行星传动来实现。行星齿轮传动减速器是通过行星传动轮系的工作原理来实现减速的。行星传动用几个完全相同的行星齿轮匀均地分布在中心轮的周围来共同分担载荷，因而每个行星轮所承受的载荷较小，相应齿轮的模数就可以较小；又充分利用内啮合承载能力高和内齿轮的空间容积，减小了径向！轴向尺寸，使得结构紧凑而又承载能力高。各中心轮构成共轴线式传动。输入轴与输出轴共轴线的传动方式使这种传动装置长度方向上的尺寸大大缩小；采用了对称的分流传动结构，使作用于中心轮转臂轴承中的反作用力相互平衡。同时也使参与啮合的齿数增多，故行星齿轮传动的运动平稳，抗冲击和振动的能力较强，工作可靠。

双级NGW行星齿轮传动结构简

双级NGW潜油行星齿轮减速器的第一级传动采用行星架浮动均载机构，行星架通过双联齿轮联轴器与第二级传动的输入轴联接。这种均载结构，行星架的浮动不需要支承，可以简化结构，尤其有利于多级行星齿轮传动。第二级传动采用太阳轮浮动结构，输入轴通过双联齿轮联轴器与第一级传动的输出轴联接。为了满足潜油行星减速器限径的设计要求，行星结构中的内齿圈与减速器的壳体为一体，内齿圈和减速器上下接体通过螺纹连接。

选择NGW型行星齿轮传动结构！NGW型二级行星传动结构，潜油行星减速器传动比系列化，满足不同转速潜油电机与螺杆泵转速的匹配。潜油螺杆泵采油系统专用减速器的使用工况条件恶劣，经上述分析，行星减速器满足原油开采的实际工程需要，保证采油系统具有较高的运行可靠性和较长的寿命，适合潜油螺杆泵系统井下驱动，并可实现以下几个基本目标：

传动效率：达到85%以上，提高整个ESPCP系统的机械效率；

输出扭矩：达到50N m和90N m两个级别的要求，保证螺杆泵的日排量和经

济效益；

使用寿命：达到12月以上，缩短ESPCP系统的泵检周期；

使用温度：能满足在120e～150e井下连续！稳定采油作业；

外径尺寸：实现减速器最大外径尺寸系列化，满足70和5告0油井需求；

传动比：实现4：1、5：1、8：1、10：l、12：1、16：l、20：1不同传动比系列，满足不同潜油电机和螺杆泵转速的匹配需求。

二、潜油螺杆泵转子转速机电调控柔性调整策略

由于潜油螺杆泵采油系统是在地面以下1000多米的井底工作，工作环境非常恶劣（高温、强腐蚀等）传统的全压-工频的供电方式使系统故障频繁运行成本大增。一方面，螺杆泵在工频启动时，启动电流大，使得电机电缆绝缘性能降低，每次开机都会使螺杆泵的寿命大打折扣，大大影响了螺杆泵的使用寿命。且损坏后的维修费用也相当高。另一方面，螺杆泵在正常工作时，普遍存在着电机负载率较低的情况，“大马拉小车”的现象严重。螺杆泵的工率因数较低，耗电量多，工频工作时，螺杆泵始终工作在额定转速下，如果井下液量供不应求，容易造成“烧泵”，则会损失惨重。为了解决这个问题，应使螺杆泵能根据井况的变化，调节泵的转速。因此引入了变频调速器，通过减小电机的电源频率实现降低电机的转速。电机带动泵运行，电动机转速降低，螺杆泵转子转速降低，也就降低了泵的排量。因此，当需要排量变化时，可以通过调节变频器的输出频率，达到控制排量的目的。

泵的排量降低了，电动机的负荷也就随之减小，这样电动机输出功率随之减小，电动机的效率可以有很大提高，电机损耗及电机输出功率得到有效减小，达到节能的目的。该调速系统主要由变频器！PLC！传感器！A/D转换器！减速器等组成。传感器测得井下的工况，经由刀D转换器转换成能被计算机或CPU识别的数字量，根据控制程序完成控制算法，改变变频器的输出频率，调节电机的工作转速，以达到对螺杆泵生产过程的实时监控，延长潜油螺杆泵采油系统的使用寿命。

三、结语

将控制过程分为三个层次：首先设定最佳启动频率，由变频器控制电机软启动；电机启动后，紧接着使电动机在等于或略大于升速时间内使电动机升速到工频状态。其次是在油井渗透率小于排量时，根据供采平衡的原则，适当地降低螺杆泵的工作转速，并于环空动液面接近临界烧泵警戒线时，报警并停机。最高级的控制时在正常工作期间，根据最优速度控制模型调整泵的转速，以期达到泵的最佳经济使用寿命，并降低能源的损耗。

参考文献：

[1] 周勇，靳海鹏，梁连兴，贾文克，谷志强，张占生. 变频调速地面驱动螺杆泵稠油开采技术[J]. 断块油气田. 2002（05）

[2] 李晶，张连社，田庆国，高成元，刘晓鹏. 浅谈螺杆泵采油井的优化设计[J].油气田地面工程. 2002（04）

[3] 周勇，靳海鹏，马永忠. 变频调速螺杆泵稠油开采技术研究应用[J]. 石油仪器. 2001（05）

作者简介：

符维斌（1963―― ），男（汉族），湖南省华容县人，主要研究方向：机电工程。