CN1908434A - 一种螺杆泵地面直接驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于油田举升技术领域中安装在地面上直接驱动螺杆泵的装置。主要解决现有螺杆泵驱动装置在使用中存在的功率损耗大、转速调整困难、维护费用高的问题。其特征在于：将螺杆泵动力电机转动轴改为空心轴，通过卡子连接螺杆泵抽油杆直接传递动力；井口出油三通油管直接连接空心电机轴里的密封管，密封管和电机空心轴在电机上端盖处实现机械密封；抽油杆和轴头采用盘根静密封；轴头和空心电机轴采用胶圈静密封；在电机下端盖内嵌入轴向承载锥轴承，利用电机上、下端盖轴承作为径向扶正轴承；在井口法兰盘位置安装卡瓦封井器；在电动机的主供电回路上相间并联制动电阻。该装置通过控制电机直接驱动螺杆泵，具有降低能耗、连续调速的特点。

Description

一种螺杆泵地面直接驱动装置

技术领域：

本发明涉及一种应用于油田举升技术领域中的装置，具体的说是涉及一种安装在地面上直接驱动螺杆泵的装置。

背景技术：

目前油田上普遍使用的螺杆泵驱动装置是由井口、动力电机、皮带、减速器、抽油杆密封盘根等部件组成。在这种驱动装置下工作存在如下问题：一、调整螺杆泵转速只能通过更换电机皮带轮来完成，非常不方便，并且受皮带轮的尺寸限制，导致螺杆泵的转速不能实现连续线形调整。二、由于存在皮带和减速器，使得大约有20％的功率被白白损耗。三、在日常生产管理中减速器、皮带等配件易损坏，维护费用较高。四、当螺杆泵转速较高时地面传动设备存在安全隐患。五、棘轮棘爪机械式防反转制动装置的使用严重影响螺杆泵井下抽油杆、油管的使用寿命。

发明内容：

为了解决现有螺杆泵驱动装置在使用中存在的功率损耗大、螺杆泵转速调整困难以及运行安全系数低，维护费用高的问题。本发明提供一种螺杆泵地面直接驱动装置，该种螺杆泵地面直接驱动装置能够直接驱动螺杆泵抽油杆运转，将轴向承载、机械密封、静密封及动力电机集于一体，可以直接调整螺杆泵运行转速，并且不再使用减速器、皮带等易磨损配件配件，降低了能量损耗，减少了维护成本，提高了运行安全系数。

本发明的技术方案是：该种螺杆泵地面直接驱动装置，由扭矩传递卡子、盘根压盖、盘根、轴头、密封胶圈、连接钢键、机械密封装置定盘、电机上端盖扶正轴承、电机上端盖、机械密封装置动盘、密封管扶正轴承、电机转动轴、电机壳体、密封管、轴向承载锥轴承、电机下端盖、电机下端盖扶正轴承、法兰盘连接螺栓、法兰盘、固定压盖、三通连接密封胶圈、卡瓦封井器、三通集油管线、法兰盘连接立柱、法兰盘以及电机的供电单元构成。将由机械密封装置定盘、电机上端盖扶正轴承、电机上端盖、机械密封装置动盘、密封管扶正轴承、电机转动轴、电机壳体、密封管、轴向承载锥轴承、电机下端盖、电机下端盖扶正轴承等零件构成的单元称为空心轴电机，在电动机下端盖内嵌有一个轴向承载锥轴承，电动机转动轴为空心，在该轴内安装一根空心密封管，所述密封管与电动机转动轴之间固定有一套机械密封装置，分别称为机械密封装置定盘和机械密封装置动盘，机械密封装置定盘与密封管之间通过顶丝固定，机械密封装置动盘与电动机空心轴之间通过胶圈密封，机械密封装置定盘和机械密封装置动盘形成工作面，实现机械密封，在密封管外与电动机转动轴的内壁之间固定有一个密封管扶正轴承。所述空心轴电机通过法兰盘连接螺栓直接固定在螺杆泵井口法兰盘上，螺杆泵抽油杆穿过电动机转动轴通过扭矩传递卡子连接，通过连接钢键直接传递电机扭矩，轴头和抽油杆通过盘根压盖、盘根实现静密封，轴头和电动机转动轴通过密封胶圈实现静密封。所述卡瓦封井器由卡瓦和密封橡胶两部分组成，固定在三通集油管线的内管中。

此外，将原地面棘轮棘爪防反转制动装置取消，改为在电动机的三相主供电回路上相间并联一组作星型连接的制动电阻，该制动电阻的投入与停用由主触点继电器上的常闭触点控制。

本发明具有如下有益效果：由于采取上述方案，取消了现有驱动装置中的减速器、皮带等传动部件，传动机构简化。同原驱动方式对比电能损耗下降约30％，日常维护费用显著减少。其次，将高速旋转电机改为低速旋转电机，提高了井口设备运行的安全系数，避免了安全事故的发生。再次，采用了电磁制动防反转技术，延长了螺杆泵井下抽油杆、油管的使用寿命。此外，通过专用驱动器实现输出转速的连续调整，生产参数可以灵活调整，方便生产管理的同时，提高了单井的原油产量，延长了螺杆泵的检泵周期。

附图说明：

附图1是本发明中机械部分的结构剖视图。

附图2是本发明中电气控制部分主回路的电气原理图。

附图3是本发明一个实施例下电动机驱动器的电气原理图。

图中1-抽油杆，2-扭矩传递卡子，3-盘根压盖，4-盘根，5-轴头，6-密封胶圈，7-连接钢键，8-机械密封装置定盘，9-电机上端盖扶正轴承，10-电机上端盖，11-机械密封装置动盘，12-密封管扶正轴承，13电机转动轴，14-电机壳体，15-密封管，16-轴向承载锥轴承，17-电机下端盖，18-电机下端盖扶正轴承，19-法兰盘连接螺栓，20-上端法兰盘，21-固定压盖，22-三通连接密封胶圈，23-卡瓦封井器，24-三通集油管线，25-法兰盘连接立柱，26-下端法兰盘，U1-单片机控制单元，U2-IGBT驱动单元，U3-变频调速单元。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明的目的是研制一种油田用螺杆泵地面直接驱动装置，在安装时，使螺杆泵抽油杆穿过空心的电机转动轴，空心轴动力电机直接驱动螺杆泵抽油杆运转，将螺杆泵井口的轴向承载装置和机械密封装置设计在电机的端盖和空心轴里，实现轴向承载、机械密封及动力电机集于一体，同时采用电磁制动技术，解决螺杆泵反转制动。

基于上述目的，按照以下步骤设计：

一是将常规螺杆泵传动用的减速器和皮带取消，螺杆泵抽油杆直接穿过动力电机的空心轴，通过卡子连接直接传递动力；

二是井口出油三通油管直接连接空心电机轴里的密封管，在电机上端盖处实现机械密封。

三是在电机下端盖设计了轴向承载锥轴承，用于螺杆泵井口的轴向承载，利用电机上、下端盖轴承作为径向扶正轴承。

四是在井口法兰盘位置设计卡瓦封井器，电机检修、更换密封盘根时不用动用吊车等设备，可以直接进行维护作业。

五是在电动机的控制装置中设计电磁制动技术，实现螺杆泵抽油杆反转的电磁制动。

具体技术方案如图1所示，针对原有螺杆泵传动结构和盘根密封位置都作出了很大的改进，具体的说由扭矩传递卡子2、盘根压盖3、盘根4、轴头5、密封胶圈6、连接钢键7、机械密封装置定盘8、电机上端盖扶正轴承9、电机上端盖10、机械密封装置动盘11、密封管扶正轴承12、电机转动轴13、电机壳体14、密封管15、轴向承载锥轴承16、电机下端盖17、电机下端盖扶正轴承18、法兰盘连接螺栓19、上端法兰盘20、固定压盖21、三通连接密封胶圈22、卡瓦封井器23、三通集油管线24、法兰盘连接立柱26、下端法兰盘27以及电机的供电单元构成。

将由机械密封装置定盘8、电机上端盖扶正轴承9、电机上端盖10、机械密封装置动盘11、密封管扶正轴承12、电机转动轴13、电机壳体14、密封管15、轴向承载锥轴承16、电机下端盖17、电机下端盖扶正轴承18等零件构成的单元称为空心轴电机，在电动机下端盖17内嵌有一个轴向承载锥轴承16，电动机转动轴13为空心，这样螺杆泵抽油杆、液柱等轴向载荷通过电机空心轴作用在这个轴向承载锥轴承16上，从而实现轴向力的分配。在该轴内安装一根空心密封管15，所述密封管15与电动机转动轴13之间固定有一套机械密封装置，分别称为机械密封装置定盘8和机械密封装置动盘11，机械密封装置定盘8与密封管15之间通过顶丝固定，机械密封装置动盘11与电动机空心轴13之间通过胶圈密封，机械密封装置定盘8和机械密封装置动盘11形成工作面，可承受1～2Mpa的液体压力，实现机械密封。在空心密封管15外与电动机转动轴13的内壁之间固定有一个密封管扶正轴承12，利于空心密封管15对中，保证密封效果，底端连接有固定压盖21，两者共同实现支撑和扶正的功能。在空心密封管15的底部通过三通连接密封胶圈22与螺杆泵采油树井口三通连接并密封；卡瓦封井器23由卡瓦和密封橡胶两部分组成，修井时关闭卡瓦封井器23，卡瓦将抽油杆卡紧、密封橡胶将抽油杆与油管空间密封，此时，螺杆泵抽油杆、液柱等轴向载荷作用在卡瓦封井器23上，可以拆除螺杆泵电机、轴头、机械密封装置进行螺杆泵的修井维护，而不需要动用吊车等修井设备。

螺杆泵动力电机通电工作时，空心电机轴13通过扭矩传递卡子2、轴头5、连接钢键7带动抽油杆1旋转，螺杆泵抽油杆、液柱等轴向载荷通过轴头5、电机空心轴13作用在电机下端盖的轴向承载锥轴承16上，实现轴向承载；轴头5和抽油杆1通过盘根压盖3、盘根4实现静密封；轴头5和电机空心轴13通过密封胶圈6实现静密封；空心密封管15与井口集油管线通过三通连接密封胶圈22连接，空心密封管15电动机空心轴13之间通过机械密封装置8、9实现机械密封；卡瓦封井器23在螺杆泵正常生产时打开，只有在修井维护井口设备时用于卸载和密封井口。

所述空心轴电机通过法兰盘连接螺栓19直接固定在螺杆泵井口上端法兰盘20上，螺杆泵抽油杆1穿过电动机转动轴13通过扭矩传递卡子2连接，通过连接钢键7直接传递电机扭矩，轴头5和抽油杆1通过盘根压盖3、盘根4实现静密封，轴头5和电动机转动轴13通过密封胶圈6实现静密封。所述卡瓦封井器23由卡瓦和密封橡胶两部分组成，固定在三通集油管线24的内管中。

所采出原油在此驱动装置中的具体流动过程为：螺杆泵工作时井下原油在螺杆泵驱动压力作用下流出井口，一方面由三通集油管线24流出至地面集油管线或地面其它容器设备里；另一方面由三通集油管线24流入电动机空心轴里的空心密封管15，由于轴头5和抽油杆1通过盘根压盖3、盘根4实现静密封；轴头5和电动机转动轴13通过密封胶圈6实现静密封；密封管15与电动机转动轴13之间实现机械密封，所以这部分油流被阻截。

为了解决现有螺杆泵井抽油杆地面驱动装置防止抽油杆反转时采用棘轮、棘爪机械式结构容易损害井下抽油杆、油管寿命以及存在安全隐患的问题，在上面技术方案的基础上，进一步改进增加一种电磁制动的功能而省去棘轮棘爪，以便于能够在45秒钟的时间内使电磁转矩逐渐减少，从而把因抽油杆变形产生的扭矩逐渐缓解和释放。具体方案为将电机供电单元中在电动机的三相主供电回路上相间并联一组作星型连接的制动电阻，该制动电阻的投入与停用由主触点继电器上的常闭触点控制，主回路图如图2所示。结合这个改进需要在螺杆泵井电机原驱动器壳体中进行改进，以配合完成电磁反转制动。在这个驱动器壳体内，由下列单元组成螺杆泵井抽油杆防反转电磁制动装置，这些单元分别为单片机控制单元U1、IGBT驱动单元U2以及变频调速单元U3，如图3所示。其中单片机控制单元U1主要由单片机构成，在这里，可以选用89C52型单片机。89C52型单片机上的四个信号输入端分别接收来自于螺杆泵井停转按钮、螺杆泵直流电动机上三个光电式位置传感器H1、H2、H3传来的信号，我们这里所述的光电式位置传感器H1、H2、H3是指安装在螺杆泵直流电动机定子内以感知转子位置的光电式传感器，当电动机转子旋转时，光电式位置传感器H1、H2、H3不断导通和截止，这些信号通过P011、P012、P013传输给单片机89C52。

变频调速单元U3由六组绝缘栅极双极型晶体管组成，此六组绝缘栅极双极型晶体管连接成三相全波整流电路，其三相引出端作为引出驱动器壳体外的螺杆泵直流电动机驱动端。

IGBT驱动单元U2由六组TLP250型IGBT驱动电路组成，每组的驱动信号输入端连接到单片机控制单元中单片机的相应输出端，每组的IGBT驱动信号输出端连接到变频调速单元中相应绝缘栅极双极型晶体管的导通触发控制端。

选用TLP250驱动IGBT进行直流电机换相、调速控制。绝缘栅极双极型晶体管IGBT的栅极驱动电压一般为15V，关断负偏置电压为5V，TLP250内部通过光电耦合实现控制电路与主电路隔离。控制直流电动机时必须知道转子的位置，直流电机中采用了三个光电式位置传感器，随着电机转子的旋转，光电传感器H1、H2、H3不断轮流导通和截止，这些信号通过P011、P012、P013口传输给单片机89C52，单片机输出端1、2、3、4、5、6脚送出相应的控制电平，IGBT驱动电路TLP250内部的光电偶合电路的3脚接收到一个低电平时，IGBT的栅极驱动电压近似为15V，该路IGBT导通。反之3脚接收到一个高电平时，IGBT的栅极驱动电压近似为-5V，该路IGBT截止。六只IGBT驱动电路TLP250随着输入电平变化、输入时间间隔变化，可以控制各个IGBT的开断，从而实现转速的监测和调整。当按下螺杆泵停转按钮后，由单片机发出停机指令，在程序控制下，六个输出端不断延长IGBT的开断间隔和不断降低控制电平，电机输出转矩不断降低，当低于抽油杆反转动能产生的反作用转矩时，抽油杆在电机转矩控制下开始反转，经30秒的时间，IGBT完全截止，抽油杆动能释放完毕停止，实现带电停机。

采取上述方案后，在需要停机时，在单片机的控制作用下，变频调速单元从速度控制状态变为转矩控制状态，在30秒内电磁转矩逐渐减少，把传动杆变形产生的扭矩逐渐缓解和释放，由此减少了冲击载荷，延长了抽油杆、抽油管的使用寿命。电网整体失电时，控制电路继电器主触点断开切断驱动器电路，辅助触点闭合接入制动电阻，此时螺杆泵抽油杆在弹性动能的作用下将产生高速反转，电机处于发电状态，电机绕组通过制动电阻产生制动电流，使电机反转速度降低，电机控制抽油杆反转转速，抽油杆反转动能缓慢释放，直到完全停止。

由于采取上述方案，取消了现有驱动装置中的减速器、皮带等传动部件，传动机构简化。一是同原驱动方式对比电能损耗下降约30％，日常维护费用显著减少；二是将高速旋转电机改为低速旋转电机，提高了井口设备运行的安全系数，避免了安全事故的发生；三是电磁制动防反转技术的应用，延长了螺杆泵抽油杆、管的使用寿命；四是通过专用驱动器实现输出转速的连续调整，生产参数可以灵活调整，方便生产管理的同时，提高了单井的原油产量，延长了螺杆泵的检泵周期；五是卡瓦封井器的应用降低了设备维护工作量。

Claims (2)

1、一种螺杆泵地面直接驱动装置，由扭矩传递卡子(2)、盘根压盖(3)、盘根(4)、轴头(5)、密封胶圈(6)、连接钢键(7)、机械密封装置定盘(8)、电机上端盖扶正轴承(9)、电机上端盖(10)、机械密封装置动盘(11)、密封管扶正轴承(12)、电机转动轴(13)、电机壳体(14)、密封管(15)、轴向承载锥轴承(16)、电机下端盖(17)、电机下端盖扶正轴承(18)、法兰盘连接螺栓(19)、上端法兰盘(20)、固定压盖(21)、三通连接密封胶圈(22)、卡瓦封井器(23)、三通集油管线(24)、法兰盘连接立柱(26)、下端法兰盘(27)以及电机的供电单元构成；

将由机械密封装置定盘(8)、电机上端盖扶正轴承(9)、电机上端盖(10)、机械密封装置动盘(11)、密封管扶正轴承(12)、电机转动轴(13)、电机壳体(14)、密封管(15)、轴向承载锥轴承(16)、电机下端盖(17)、电机下端盖扶正轴承(18)等零件构成的单元称为空心轴电机，在电动机下端盖(17)内嵌有一个轴向承载锥轴承(16)，电动机转动轴(13)为空心，在该轴内安装一根空心密封管(15)，所述密封管(15)与电动机转动轴(13)之间固定有一套机械密封装置，分别称为机械密封装置定盘(8)和机械密封装置动盘(11)，机械密封装置定盘(8)与密封管(15)之间通过顶丝固定，机械密封装置动盘(11)与电动机空心轴(13)之间通过胶圈密封，机械密封装置定盘(8)和机械密封装置动盘(11)形成工作面，实现机械密封，在密封管(15)外与电动机转动轴(13)的内壁之间固定有一个密封管扶正轴承(12)；

所述空心轴电机通过法兰盘连接螺栓(19)直接固定在螺杆泵井口上端法兰盘(20)上，螺杆泵抽油杆(1)穿过电动机转动轴(13)通过扭矩传递卡子(2)连接，通过连接钢键(7)直接传递电机扭矩，轴头(5)和抽油杆(1)通过盘根压盖(3)、盘根(4)实现静密封，轴头(5)和电动机转动轴(13)通过密封胶圈(6)实现静密封；

所述卡瓦封井器(23)由卡瓦和密封橡胶两部分组成，固定在三通集油管线(24)的内管中。

2、根据权利要求1所述的一种螺杆泵地面直接驱动装置，其特征在于：所述电机供电单元中在电动机的三相主供电回路上相间并联一组作星型连接的制动电阻，该制动电阻的投入与停用由主触点继电器上的常闭触点控制。

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