（石油与天然气工程专业论文）井下电潜式往复泵技术研究.pdf

井下电潜式往复泵技术研究 王善政( 石油与天然气工程) 指导老师：李兆敏( 教授) 朱桂林( 高级工程师) 摘要 针对有杆泵系统存在的问题，在调研国内外直线电机及井下 电潜式往复泵机组研究现状的基础上，介绍了直线电机和井下电 潜式往复泵机组的工作原理、特点及其适用范围。利用节点分析 的方法对井下电潜式往复泵机组的生产系统进行了优化设计：油 井流入动态的计算、多相垂直管流的计算、泵的设计、直线电机 的选型、流体温度场计算以及流体物性参数的计算等。针对现场 应用，提出了工艺要求，并对井下电潜式往复泵机组在直井和斜 井的应用效果进行了分析，井下电潜式往复泵举升系统可以有效 地解决有杆泵举升方式存在的管杆偏磨严重、系统效率低、能耗 高的问题，有效地解决低产直井、斜井的举升工艺存在的问题。 关键词：井下电潜式往复泵，直线电机，优化设计，斜井，偏磨 t h et e c h n i q u er e s e a r c ho fr e c i p r o c a lp u m ps y s t e m w o r k i n ga se l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p w a n gs h a n - z h e n g ( o i l & g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl iz h a o m i n s e n i o re n g i n e e rz h ug u i l i n a b s t r a c t i nv i e wo ft h ep r o b l e mo fb e a mp u m ps y s t e m ，b a s e do nt h e s t u d yo fl i n e a re l e c t r i cm o t o r sa n dr e c i p r o c a lp u m ps y s t e mw o r k i n g a se l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pa th o m ea n da b r o a d ，t h eo p e r a t i n g p r i n c i p l ea n dd i s t i n g u i s h i n gf e a t u r eo fl i n e a r e l e c t r i cm o t o r sa n d r e c i p r o c a lp u m ps y s t e mw o r k i n ga se l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pa r e i n t r o d u c e d t h ep r o d u c ts y s t e mi s o p t i m i z e db ym e a n so fn o d a l a n a l y s i s f o re x a m p l e ，i n f l o wp e r f o r m a n c er e l a t i o n s h i po fo i lw e l l ， c a l c u l a t i o no fv e r t i c a lm u l t i p h a s ef l o w , d e s i g no fp u m p ，l e c t o t y p eo f l i n e a re l e c t r i cm o t o r s ，c a l c u l a t i o no ff l u i d t e m p e r a t u r e s i t ea n d p h y s i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r i nv i e wo ff i e l da p p l i c a t i o n ，t h e t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t si sa d v a n c e d t h ee f f e c to fr e c i p r o c a l p u m ps y s t e mw o r k i n ga se l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pu s e di ns t r a i g h t a n di n c l i n e dw e l l si sa n a l y s e d t h es y s t e mc a nn o to n l yr e s o l v e st h e p r o b l e mo fg r a v ee c c e n t r i cw e a r , l o ws y s t e me f f i c i e n c ya n dh i g h e n e r g yc o n s u m p t i o n ，b u ta l s os e t t l et h ei s s u eo fl i f t i n gt e c h n o l o g yi n s t r a i g h ta n di n c l i n e dw e l l s k e yw o r d s ：r e c i p r o c a lp u m ps y s t e mw o r k i n ga se l e c t r i cs u b m e r s i b l e i i i p u m p ；l i n e a re l e c t r i cm o t o r s ；o p t i m i z a t i o n ；i n c l i n e dw e l l ；e c c e n t r i c w e 8 1 l v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中 签名： 作了明确自蹴明并表示了谢意。 逖。刃年r 月? 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅 和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论 学生签名： 导师签名： 年r 月膏日 年s - 月- 8 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 1 1 研究的目的和意义 第1 章引言 抽油机以其结构简单、可靠耐用、管理方便等优点，在石油工业中 得到广泛应用i l j 。时至今日，在机械采油井中，抽油机仍占9 1 的份额。 但在长期使用中，也确实暴露了不少缺点：其一是能耗高，据统计单台 平均装机容量为3 2 6 k w ，占陆上油气田生产用电量的3 4 4 。其二是效 率低，据统计系统效率仅为2 6 左右。其三是安装维修工作量大。其四 是存在严重的杆管偏磨现象。在目前，在我国的大部分油田，采油设备的 能耗己占油田总能耗的1 3 左右，出现了高能耗、低产出的现象，电费支 出惊人。在世界能源价高紧缺的形势下，各石油企业紧抓降本增效。因 此，石油工业的发展，急迫要求对抽油机作重大改进。 井下电潜式往复泵机组就可以有效地解决低渗透油田有杆泵举升方 式存在管杆偏磨严重、系统效率低、能耗高的问题，解决低产直井、斜 井的举升工艺的问题，为低渗透油田降投资、节成本、增效益提供了一条 途径。同时也是对目前抽油机采油举升方式的一场革命，具有广阔的推广 前景。 1 2 直线电机国内外研究现状 传统的直线驱动，如牵引、提升等都是采用旋转电机通过中间转换 装置，如链条、钢丝绳、传动带、齿条等转换为直线运动。这些中间转 换传动机构存在着体积大、效率低、精度低等问题。 直线电机是一种将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中 间转换机构的传动装置【7 l 。它是2 0 世纪下半叶电工领域中出现的具有新 原理、新理论的新技术。由于采用了“零传动”，从而较传统传动方式 有明显的优势，如结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度 高等。近年，随着工业加工质量和运动定位精度等要求的提高，直线电 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 机受到了广泛的关注。在国外，直线电机驱动技术已进入工业化阶段， 但国内尚处于起步阶段。 直线电机的历史最早可追溯到1 8 4 0 年惠斯登提出和制作雏形但不成 功的直线电机，至今已有1 6 0 多年。其发展大致可分为三个阶段【4 】：探索 实验阶段( 1 8 4 0 一1 9 5 5 ) 、开发应用阶段( 1 9 5 6 1 9 7 0 ) 和实用商品化阶段 ( 1 9 7 1 一) 。 第一阶段是直线电机探索实验和部分实验应用时期。由于直线电机 还能找到唯独它能解决问题的领域，以及直线电机在设计方面也没有突 破性的成功，所以直线电机在这一时期绐终未能得到直正的应用。第二 阶段是直线电机全面的开发阶段。在这期间，以英国e l a i t h w a i t e 教授为 首的一些人在强调直线电动机的基础研究的情况下，取得了不少研究成 果，包括发表直线电机理论分析文章和出版比较系统介绍直线电机的专 著 i n d u c t i o nm a c h i n e s f o rs p e c i mp u r p o s e s ) ) 。这些给直线电机领域起到 了一个推动作用，作出了开创性的贡献，也使直线电机再一次受到了重 视。 从1 9 7 1 年开始直线电机进入了独立应用阶段。在这个时期，研究人 员终于选择一条适合直线电机自身发展的独特思路。各类直线电机的应 用得到了迅速的推广，出现了许多具有实用价值的产品，如运煤机、空 压机、冲压机等。 近几年，直线电机发展十分迅速，在国外相继出现了许多直线电机 研究室和研究人员。国际上许多电气企业均在研究和开发相关产品，如 美国的k o l l m o r g e n 公司和w e s t i n g h o u s e 公司1 6 l ，日本三井精机公司、松下 和德国的s m e n s 公司等。随着各种技术的进步和研究的展开，诸多高 质量的直线电机产品和科研成果纷纷出现。 1 9 8 5 年，美国i n g e r s o l 铣床公司生产了采用永磁同步直线电机的 h v m 6 0 0 高速加工中心，最大进给速度达7 6 2 m m i n ，加速度达( 1 1 5 ) g 。 在1 9 9 3 年1 0 e m 0 展览会上，仅德e ) ( - c e l l o 公司一家展出直线电机产 品。而在1 9 9 7 年，汉诺威1 2 e m o 展览会上有2 0 多家公司展出了直线电机 传动装置，如德t r u m p f 公司的激光机床、法国r e n a u l ta u t o m a t i o n 公 司的加工中心等，展出的直线电机最大速度达1 5 0 - 2 0 0 m r n i n ，加速度达 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 5 0m s 2 。这些被称为最有前途的展品表明，在高速度机床的进给机构中 愈来愈多的采用直线电机。新型磁性材料和控制技术、冷却方法的出现， 为应用经济高速高动力直线电机创造了条件。如i n d r a m a t 公司研制了最完 整系列的直线电机，包括无罩壳同步直线电机，无罩壳异步直线电机和 封闭式异步直线电机。直线电机的控制系统有标准接口，可保证与各种 改型的数字变换器和程序控制器的兼容性。 在我国，直线电机的研究和应用发展起步较晚，从2 0 世纪7 0 年代初 开始。1 9 7 2 年，浙江大学首先翻译了直线感应电动机译文集。之后， 上海大学、中科院电工所等又编译了一些直线电机的书籍并出版。受国 外直线电机应用潮流的影响，近几年，国内也涌现了诸多直线电机应用 开发单位，主要有中科院电工所、西安交通大学、浙江大学等。 目前在直线电机领域，研究人员开发了平板型、圆筒型、永磁式等 多种型号的直线电机，并且有了不同程度的应用。目前，国内已有科研人 员正在开展直线电机抽油机的研究【9 】，并取得了一定的成果。 直线电机可广泛一应用于工业、民用、军事及其他各种直线运动的 场合，采用直线电机驱动的装置，和其他非直线电机驱动的装置相比， 具有以下一些优点： 1 ) 采用直线电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生 推力，因此，它可以省去中部转换机构，简化了整个装置或系统，保证 了运行的可靠性，提高了传递效率，降底了制造成本，易于维护。 2 ) 普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制，而 直线电机运行时，它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心 的作用，因而它的直线速度可以不受限制。 3 ) 直线电机电通过电能直接产生直线电磁推力的，在驱动装置中， 其运动可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少了机械损 耗，如直线电机驱动的磁悬浮列车。 4 ) 旋转电机通过钢绳、齿条、传动带等转换机构转换成直线运动， 这些转换机构在运行中，其噪声是不可避免的，而直线电机是靠电磁推 力驱动装置运行的，故整个装置或系统的噪声很小或无噪声，运行环境 好。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 5 ) 由于直线电机结构简单，且它的初级铁芯在嵌线后可以用环氧树 脂等密封成整体，所以可以在一些特殊场合中应用。例如，可以潮湿环 境甚至水中使用，可在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用，也可以 在几先千度的高温或零下几百度的低温下使用。 但是，直线电机与旋转电机相比，效率和功率因数低是其主要缺点， 龙其在低速时比较明显。 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面一种演变，它可看作是将 一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，这样就得到了 由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变面来的一侧称为 初级，由转子演变而来的一侧称为次级。演变而来的直线电机，其初级 长度是相等的，由于在运行时初级之间要做相对运动，如果在运动开始 时，初级与次级正巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的 部分就会越来越少，而不能正常运动，为了保证在所需要的行程范围内， 初级与次级之间互相耦合保持不变，因此实际应用时，将初级与次级制 造成不同的长度，在制造直线电机时既可以是初级短、次级长，也可以 是初级长、次级短。前者称为短初级长次级，后者称为长初级短次级。 短初级在制造成本、运行的费用上均比短次级低。 直线同步电机在原理上，与相应的旋转同步民动机完全一样，它常 用作高速地面运输的推进装置以及提升装置的动力。与普通同步电动机 一样，它具有多相电枢绕组和直流激磁的磁场。直流磁场的激磁方式可 以是常规式的，也可以由超导体激磁绕组来激磁，还可以采用永磁体， 虽然从原理上看，直线同步电动机可以分为电枢移动式或磁场移动式， 但在工程中更常用磁场移动式。 但由于直线电机技术在油田开采领域的应用方兴未艾，因而尚有许 多难题亟待解决。将直线电机作为并下泵动力系统不仅能够避免目前正 在开发的直线电机抽油机研究中遇到的诸多难题，而且进一步拓宽了直 线电机在油田开发中的应用范围。 目前并下电潜式往复泵机组在大庆油田已经迸行了1 7 口井现场试 验，已应用于斜井和直井。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章直线永磁电动机特性研究 第2 章直线永磁电动机特性研究 2 1 直线永磁同步电动机的磁场及正弦电流模型磁场分布 在直线永磁同步电动机中，总是采用高磁能积稀土永磁体来获取大 的推力重量比和推力功率输入比。这种磁性材料具有高剩磁密度b r 和 大的矫顽力h c 。典型的高磁能积永磁体具有线性去磁特性，形式如下 吃2 耳堆帆 ( 2 1 ) 因此，这种永磁体( p m ) 能以等效磁通势m p m 由下式给出 2 皿吒 ( 2 2 ) 式中，h m 为永磁体厚度；凰为矫顽力。 这个等效( 假想) 磁通势( m m f ) 以系数心兰g o 作用在空气中，并 呈现电流面形式。这种近似经与与解析法和有限元法( f e m ) 相结合使用， 以获取在直线电动机中各个区域的磁场分布。 三相直线永磁同步电动机的初级由齿槽中的线圈构成，并以互差1 2 0 。相角的方波电流从外部供电，同时只有两想导通，或者以三相正弦电 流对禄级供电，在这两种情况下均采用p l n , i 电压源逆变器，下面我闪来研 究三个相正弦电流供电的平板型直线永磁同步电动机，每极每相初级统 组可具有2 个，3 个或4 个槽。对于单边平板型直线永磁同步电动机，我们 运用觖析法来求出磁场，在解析法中作如下六点主要假设： ( 1 ) 略去初级齿槽效应，但沿x 和y 方向( 见图2 一1 ) 的磁导率不同， 分别为 以= 1 l + 土( 所- i ) ( 2 - 3 ) 和 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章直线永磁电动机特性研究 以= 胁陟朋一纠池4 ， 式中，以为相对磁导率；以为槽宽； t 为槽距。 ( 2 ) 认为永磁体是各向同性的，以= t ，。舫。 ( 3 ) 假定铁的磁导率为无限大。 ( 4 ) 在分析中，仅考虑初级磁通势的基波分量。 ( 5 ) 由式( 2 - 2 ) 给出的p m 磁通势的基波分i m l p m f l j - f 式计算 肘枷= 4 m ，s i n ( 争s i i l 呼力 ( 2 5 ) 相应的等效电流面 a 矿昙s i n ( 鲁) s i n ( 三；- x ) ( 2 - 26 ) ，。= 二m p 。s i n ( 苦，一，、 石 z f- l - 6j 式中，0 和f 如图2 1 中所示。 = = ) = 二 助 t i li型i fj 动子 一；：蔷1 - - - - 一f _ - - - - - 一 ， t 丌畸认扣 0 h 卜矗一7 。 、- n b ) 图2 - 1 单边直线永磁同步电动机的结构与分析模型 a ) 实际结构b ) 数学分析模型 ( 6 ) 电枢反应电流面a 1 ，的基波分量表示为 铲务，n t i ，( 1 ，1 ：州 协 6 中田右汕人学( 牛东) 顾i ? 论史第2 带a 线水磁i 也动目l 特性研究 式中，k ，为初级绕组系数：n ，为卡j j 级磁通纷：p 为极数；f 为极距； 为初级与次级等效电流l i f , j 的偏移加度。 祚以i ：假设的条什卜，我j f j i 、l hj 解析法i i r 求得空载感应i 乜动药丛波 分量为 后 e | = 兰l k 。| n ，l b v p m j ) 。 t 2 8 ) 矩 式中，( 口，肼耽，为平均分布于初级齿槽上的p m 法向气隙磁通密度基波 分量；i a 为初级叠层宽度。 类似地，如果i l 为初级电流，励磁f 乜感l 。可表达为 l s ：坚k 。| n 石 t l b v a i 。 l 2 1 9 ) 刀 式中，俾，口耽，为平均分布于初级齿槽_ k 的e a 枢反应法向磁通密度基波分 量。 漏感上1 。主要有两个分量。它们是齿槽和端部相连接的漏磁，同样可 以按照用于直感应传动装置的方法来确定。初级电阻r l 同理可求。直线 永磁同步电动机的同步电感工s 可如下计算 t 。厶。+ ( 2 一1 0 ) 2 2 直线永磁同步电动机的d q 轴模型和推力方程 因为我们仅考虑各变量的基波分量，所以可以使用由轴模型。因为 由永磁体产生的磁动势为常值。在次级上无阻尼绕组，所以，由轴模型 电压方程式与旋转永磁同步电动机相似，为 u d = r s 钆+ p a d 一，a 。 u p 2 r l i q + p k 一? x d 式中 k = l i i d + 九p 。| 力= t 其中，“r - 加t ，叻线速度，p - - d d t 。 7 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) 旦堑垫查兰! 坐查! 婴：! ：堡苎笙三! 兰垡塾苎堂皇苎塑堕兰! 里堕 由式( 2 。8 ) 得出的总额磁通( 磁链) 为 = 等= 乏“4 ( b y p m l ) a v ( 2 - 1 5 d q 轴上的电压、电流、磁通变换为 = r a + p 以一q 以 ( 2 - 1 6 ) = r , i a + p t d - c o r 一 ( 2 - 1 7 ) 式中 九= 丘+ ( 2 一t s ) k = l s t d + 丸m 协1 9 ) 其中，c o , = 丌v f ，v 为线速度，p 2 d d t 。 由式( 2 8 ) 得出的总磁通( 磁链) 为 = 譬= 三州b y p m l ) 删 ( 2 - 2 0 ) d q 轴上的电压、电流、磁通变换为 ( ： 告 c 。g ( c o s ( 一o r + 2 3 z ，- lc 。s ( - s r - 等) 咖( 一如( 一斛等) s i l l ( 一卵等) f i 。1 h q - 2 1 在( 2 2 1 ) 式中，对于p m 动子，b = ；c o d t + q 。；对于初级， 只：一k d t + b 。( 与自身的行波磁场方向相反) 。 电磁功率表达式为只= 只匕= 6 2 r f , = 丢q 魄一九乇) ( 2 2 2 ) 推力f x 为只= i 3 7 e ( 2 - 2 3 ) 法向力可由磁场储能的导数来求取 只= 罢( 噜+ ( 2 - 2 4 ) 在电枢中，假定d q 轴电感相同，并从式( 2 2 4 ) 中看出仅由i q 提供推力。 因此，将借助于功率电子设备，把i q = 恒值作为控制的目标。 中国石油大学( 华东) 硕：上论文 第2 章直线永磁电动机特性研究 机械运行方程为 m y 。2 c + ( 2 2 5 ) x = v( 2 2 6 ) 式中，u 为动力线速度；工为动力线位移；m 为动力总质量；为负 载阻力。 联立式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 可获得如下相量方程 u l = r j | + p 九s + j ，亢s ( 2 2 7 ) 式中 u s = u d + j uo 。+ j t q 五= 乃4 - _ ，屯 ( 2 2 8 ) 在稳态下的同步坐标中( 轴线固定于p m 上) ，p 丑= o 时，推力随乞变 化。用于控制时，只要按需要控制便可产生所期望的机械特性。 2 3 直线同步电机的磁场定向控制 在交流电机的定子电流中，转矩分量与激磁分量是耦合在一起的。 为了能够实现象直流电机那样的转矩解耦控制，达到高性能的控制效果， 广泛采用的方法是磁场定向控制理论，直线同步电机也不例外。 我们在前面已经讨论了同步电机磁场定向控制原理，以及定子磁链 定向控制、气隙磁链定向控制和转达子磁链定向控制等同步电机不同磁 链定向控制的数学模型和运行特性，应该说这些原理及系统也适用于直 线同步电机。 但是，对于磁悬浮牵引的直线同步电机，由于其激磁磁极兼有悬浮 磁极的作用，激磁电流的控制不是由牵引控制系统来完成的，而是由磁 悬浮控制系统根据保持悬浮气隙恒定这一目标来调整悬浮电磁铁电流大 小的，即磁悬浮牵引直线同步电机激磁方向的磁链大小由悬浮气隙来决 定。因此，从悬浮系统的控制目标来看，希望定子电流对悬浮力的影响 越小越好，即定子电流尽量不能有d 轴电流成分。同样，从牵引控制系 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章直线永磁电动机特性研究 统来看，也希望悬浮控制系统对激磁电流的调整对牵引性能产生的影响 尽可能小，希望激磁电流保持恒定。由此可见，高速可见，高速磁悬浮 牵引直线同步电机的悬浮控制与牵引控制必须是相互解耦独立控制的。 根据同步电机磁场定向控制原理，采用恒定激磁且定子电流d 轴分量恒 定为零的转子磁链定向控制方式对于高速磁悬浮牵引的直线同步电机最 为合适。 如果让定子电流中的d 轴分量保持为零，且激磁电流基本不变，则 电磁转矩与电机定子电流成线性比例关系。转子磁场定向控制的同步电 机矢量图，见图2 2 。如果忽略定子电阴压降，此时电机功率因数角与电 机功角相等。 吼 s 2 厶 线吣 觚弋 d 0一 图2 - 2 转子磁场定向控制空间矢量图 在转子磁链定向控制方式下，悬浮系统控制的激磁电流出现在d 轴， 同步电机定子电流出现在q 轴，两者正交相互解耦。在d 轴定子电流为 零的转子磁场定向控制方式下，电机的电磁转矩与定子电流成正比，可 以达到较好的解耦特性和动静态控制性能。 同时，转子磁链定向控制系统结构简单，实现也较容易，磁链定向 角度即为转子位置角，不必像气隙磁链定向控制和定子磁链定向控制那 样，需要设置结构复杂的磁链观测器。 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章直线永磁电动机特性研究 转子磁链定向控制直线同步电机的磁链方程为 i = k f r = 厶 ( 2 2 9 ) f = l | 电压方程为 i u 坩= 置0 + p y 耐一o j , i l v 坷 2 置+ p + r o a v , a ( 2 3 0 ) p f 2 r f + w f 由上述分析可知，转子磁链定向数学模型简单、线性化、转矩控制 解耦，这是该方法的明显优点。但是，当电机电流增加时，电于电枢反 应影响，会使电机电压大幅度上升，电机电压的升高要求变频装置和变 压器有更大的容量，图2 3 为转子磁链定向直线同步电机调整系统的控 制结构图。 图2 - 3 直线同步电机调速系统控制结构图 由图2 3 可见，直线同步电机由p w m 交直交变频器供电。直线同步电 机长定子上安装有磁极位置检测器，检测出同步电机磁机磁极的位置s 和磁极相对定子的位置角y ，并计算出直线同步电机运动的速度u 以及 加速度a 。高速磁悬浮牵引的直线同步电机调速系统是一个位置、速度、 加速度、电流闭环反馈控制的四环控制系统。给定系统给出一个位置定 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章直线永磁电动机特性研究 置、速度给定值和加速度给定值，控制系统撮外环是位置控制，位置给 定值s 与反馈值s 比较，其差值经位置控制器s r g 输出速度补偿量： 而速度给定值u 与反馈值u 送人速度调节器v r g 综合调节，输出为直 线同步电机的加速度补偿量，加速度乘以直线同步电机运动部分的质量 1 1 得到直线电机牵引力f 。由于i s d = 0 控制直线同步电机电磁转矩为 m ，= 妒，t 。，激磁磁链为一恒定值。直线电机牵引力f 除以与激磁磁链相 关的常数k ，得到下子电流q 轴分量给定值i 。该电流与速度u 输入到 电压前馈模型u m o 中计算出定子电压d 轴分量u n d 和q 轴分量l l s a 。同 时，电动三相电流i a 、i b 、i c 由矢量旋转变换v d 2 ，按电机磁极位置角y ， 旋转变换为d q 轴电流检测值i s d 、k 。送入d 、q 轴电流调节器作电流闭 环控制，其输出为定子电压补偿量。补偿量与d 轴分量u 酣和q 轴分量 通过复合控制系统计算出来u s d 、u ；。，送入矢量旋转变化器v d l ，得 到电压幅值 i1 1 5l 、电压与d 轴的夹角q 。d 然后去控制电压变频器， 使变频器按该电压矢量供电给直线同步电机。直线同步电机调速系统是 一个复杂的电机驱动系统，像常规电气传动控制系统一样，实现了直线 同步电机的位置环、速度环和电流环的闭环控制。 2 4 直线永磁电动机的端部效应 永磁同步直线电动机与同步旋转电动机有许多相似之处，都是将电 能转换为机械能的电力装置。当永磁直线电动机的实级三相绕组通人对 称三相交流电时，便会在气隙中产生沿直线方向移动的行波磁场，在此 行波磁场作用下，次级的永磁体便力图产生定向的直线运动，但由于次 级固定，反作用力作用在初级动子上，使其做直线运动。然而，旋转电 动机的铁心构成了圆环形的闭合磁路，而永磁直线电动机的定子铁心磁 路是长直的，两端开断，所以所产生的纵向磁通分布如图2 2 所示。很 明显，在初级两端断开处得磁通分布与中间部位的磁通分布不同，不但 磁场组在两端处不连续，所以各相之间的互感不相等，即使在初级绕组 中供给三相对称的交流电压，也不会产生对称的三相电流，这形成了所 谓的正序正向行波磁场、负序反向行波磁场合零序脉振磁场。后两类磁 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章直线永磁电动机特性研究 场在次级运行过程中将产生阻方和增加附加损耗。退一步讲，即使采取 了一些措施使三相电流对称了，仍然后由于铁心断开而产生相对初级不 移动的脉振磁场。上述由于铁心断开所引起的各相绕组互感不等及脉振 磁场、反向磁场存在的现象，我们称其为静态纵向端部效应。引起永磁 直线电动机推力波动的原因有多种；初级电流和反电动势存在高次谐波、 气隙磁密波形正弦性、齿槽效应、端部效应等，但直流电动机所特有的 端部效应是最主要的影响因素。 图2 4 永磁直线同步电动机的纵向磁通分布图 端部效应可分为纵向端部效应和横向端部效应两类。 ( 1 ) 纵向端部效应。纵向端部效应是由于绕组和铁心为有限长而引 起的特殊现象。进一步可分为静态纵向端部效应和动态纵向端部效应。 静态纵向端部效应对直线电动机的特殊影响最大，为叙述方便，简称为 端部效应。 静态纵向端部效应会增加直线电动机的附加损耗，降低直线电动机 的效率和引起推力的波动。 动态纵向端部效应是由于有限长的初级和无线长的次级之间的相对 移动而产生的。动态纵向端部效应会使直线电动机的端部气隙磁场更加 畸变，使静态纵向端部效应加强。它会进一步增加电动机的附加损耗、 降低效率和推力的波动。 ( 2 ) 横向端部效应。直线电动机的初级和次级的宽度都是有限长的， 通常次级比初级宽一些，这种特点所产生的影响为横向端部效应。 横向端部效应使次级的电阻率增加，以及在次级上产生不稳定的偏 心力。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章直线永磁电动机特性研究 对于永磁直线电动机，由于短初级纵向端部及次极永磁体的存在， 即使在电动机初级绕组不通电流的情况下，也存在着明显的纵向端部效 应力，这种情况，称为空载端部效应力，它是引起推力特性波动的主要 成分。空载端部效应力与短初级铁心几何尺寸、端部长度、气隙长度、 电动机极距、永磁体极宽等诸多因素相关。 直线永磁电动机的空载端部效应推力波动图如图2 - 3 所示。图中曲 线是分别采用虚功法和麦克斯韦方法而得到的结果。由图可知，在三相 绕组不通电流的情况下，波动力只有一个低频分量为电动机端部效应波 动力，并且推力的平均值近为零。 i 口4 a 和h - - s a 时的直线永磁电机的推力特性图分别如图2 _ 4 和图2 5 所示。由图可知，波动曲线的趋势是致的，平均推力随电流增加而增 加，两种方法的计算结果随电流的增加有偏差，并且波动推力的峰值随 电流的增加而增加，即波动的大小随电流的大小而变化。波动力曲线中 含有一个低频分量，以及寄生在其上的高频分量。低颁分量为电动机端 部效应波动力，而高频分量则为齿槽效应波动力，高频分量可以通过短 初级槽及分数槽绕组等措施加以削弱。 嚣 3 0 芝嚣 羹枷0 加 ： 一5 0 图2 - 5 直线永磁同步电动机空载( j 口= o ) 推力特性 由以上各图分析可知，直线永磁电动机的端部效应是引起推力波动 的主要由原因，而且是位移的周期性函数，由直线永磁电动机端部效应 引起的推力波动的大小和形状，与初级电流的大小及铁心的饱和程度有 关。而且永磁直线电动机端部效应影响的大小，严格说来还与动子运动 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章直线永磁电动机特性研究 速度有关，其中空载部效应占主要成分，这也正是永磁直线电动机的主 要特点之一。 嚣 ： 乏l o 羹，： - 2 0 枷- 3 0 5 0 电角宝t x 自峨 图2 - 6i a j 4 a 的推力特性图 皂角鹿( x l a o 图2 7i d = 8 a 的推力特性图 永磁直线电动机端部效应的直接表现是电磁推力的周期性波动，破 坏了推力平稳性。消除端部效应的措施有多种，可以在电动机的端部加 专门的补偿绕组，但这会增加电动机的重量和成本，控制上的难度也会 增加；可以增加电动机的极数，来减小各绕组间阻坑的不对称，抑制推 力波动；可以加补偿电气元件，使三组绕组的阻坑对称，减小推力波动。 对于抑制电动机推力波动的其他方法，还有采用斜极或斜槽的方式， 可有效地削弱高次谐波和齿谐波，采用分数槽绕组，也可以削弱推力波 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章直线永磁电动机特性研究 动，利用特殊的永磁材料及排列不相等方式，改变齿槽宽度方式，不等 极数的方式和改变电动机两端部磁导的方式，都将有效地削弱端部效应， 减小推力的波动。 对于永磁直线电动机，磁路是影响端部效应的主要因素；采用多极 方式，齿宽排列不相等方式，改变齿槽宽度方式，不等级数的方式和改 变电动机两端部磁导的方式，都将有效地削弱端部效应，减小推力的波 动。另外，增加电动机初级两端的齿宽的方法可以削弱端部效应的低频 分量影响，减小推力的波动。 端部效应是直线电动机特有的现象。除此之外，直线电动机与旋转 电动机之间可以找到对应得机似关系，旋转电动机旋转速度，。对应直 线电动机直线运动速度f ，且有关系式= ( ，r r ) v ；推动旋转电动机运 动的动力为转矩，对应于直线电动机的推力，因此两者具有相似的数学 模型和机械运动方程式。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章并下电潜式往复泵工作特性研究 3 1 井下电潜式往复泵机组工作原理 3 1 1 直线电机工作原理 图3 1 由旋转电机转变成直线电机的过程 从结构上看，将旋转电机沿轴向剖开，并将其铺平，这样，旋转电 机的定子( 初级) 依然是直线电机的定予( 初级) ，而旋转电机的转子( 次级) 则变成了直线电机的动子( 次级) ，如图i 所示。由于直线电机在结构上 与旋转电机具有相似之处，因而其工作原理与目前常用的旋转电机相同， 对直线电机来说，通入三相交流电后，也会产生气隙磁场，分布情况与 旋转电机相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随 时间变化时，气隙磁场将沿三相交流电的相序沿直线运动。这个原理与 旋转电机相似，两者的差异是：这个磁场是平移的而不是旋转的，因而称 之为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面 上的线速度是样的。假设次级为栅形次级，导条在行波磁场切割下， 将产生感应电动势和电流，导条电流所形成的磁场与气隙磁场相互作用， 便会产生电磁推力，此时，如果直线电机的初级是固定不动的( 定子) ， 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章井下电潜式往复泵工作特性研究 就势必使次级顺着行波磁场运动的方向作直线运动。 矧獠 一 f 爿厂 后。略s # 匈 j 可j嚼 “ 翊固 浩管 堕一。 霉 滏洼阁 ie 。 鞠目 k才 朔魄 一 _ 旧雾 芦莳 _ _ - - 也 c 抽螈 _ 。一 = ， 丽 j 一一一l 一一一一 k | 娠j = 。一二 k u 弹性挂礁 ：q口 lj 图3 - 2 井下电潜式往复泵稠油系统结构图 井下电潜式往复泵技术是在井下将柱塞式抽油泵和直线电机结合为 一体，直线电机动子与抽油泵的柱塞相连接，利用电缆传输电能给直线 电机，电机动子直接驱动柱塞式抽油泵往复运动，完成抽汲。整个系统 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章井下电潜式往复泵工作特性研究 中没有抽油杆。 3 2 井下电潜式往复泵机组特点 井下电潜式往复泵机组具有以下特点： ( 1 ) 直线电机将电能直接转换成举升原油的动力，中间转换环节少， 而游梁式抽油机则须通过皮带、连杆机构、减速箱及游梁等转换环节， 因而具有较少的能耗和较高的系统效率。 ( 2 ) 直线电机作为井下泵动力系统易进行机泵一体化设计，可简化 井下工具结构，降低施工难度。 ( 3 ) 由于去掉了抽油杆，可彻底解决杆管摩擦及油管偏磨问题，使 油管寿命大大增加。并且由于消除了杆管摩擦及油管偏磨造成的系统失 效问题，检泵周期也将增加。胜利油田每年因油井管杆偏磨造成的经济 损失达2 亿多元。 ( 4 ) 由直线电机构成的采油系统易于控制，采用智能控制系统，具 有检测、处理、识别、自诊断和自适应的能力，根据不同油质的油井( 常 规油井、稠油井、贫油井、富油井) 编制专用的智能化模块程序软件， 以油井作为控制对象，依据采集的信息数据由智能化模块，进行评价、 筛选，选取一种最佳方案，调控抽油机的冲次、冲程长度。还可进行上、 下行程速度的分别控制，使直线电机始终处于最佳的经济状态下运行。 ( 5 ) 采用直线电机和泵的一体化设计，可以更加方便地实施油层分 采工艺，达到一层一泵精确分采的目的。 ( 6 ) 可以充分利用电机运转过程中产生的热量来提高原油的温度， 有效地防止原油中蜡的析出。 3 3 井下电潜式往复泵机组适应范围 惊吓电潜式往复泵系统可适用于抽油机所能适应的全部井况，也能 适用于井下单螺杆泵的所有井况，除此之外，同抽油机采油和井下单螺 杆泵采油系统、电泵采油系统相比，它有如下独特的优势： 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章井下电潜式往复泵工作特性研究 ( 1 ) 适用于杆管偏落严重的油井 由于取消了抽油杆，彻底解决了管杆偏磨问题。 ( 2 ) 适用于大斜度油井，水平油井 为了提高油井产量和油田的最终采收率，我国各大油田已钻成一大 批定向井和斜井。由于受定向井和斜井井身结构的制约，抽油机井与井 下单螺杆泵采油作业频繁。油井井下用直线电机抽油泵机组 3 1 ，由于取 消了抽油杆，而且机组长度较短，所以不受定向井和斜井井身结构的制 约。 ( 3 ) 适用于低渗透率油井 由于在地面可以实现井下泵冲次与冲程的无级调节，对低渗透油田 通过调节冲次和冲程，可保证泵的充满系数，保护油层。更进一步通过 配备智能采油控制系统，可方便地实现油井自动控制。 ( 4 ) 适用于稠油井 该产品可实现低冲次大推力，并且可以逐步加力，既可解决稠油开 采低冲次的要求，又有效解决了停井后启动困难的问题，减少了油田作 业和常规采油方式起动冲击电流大的难题。 ( 5 ) 适用于深井 井下单螺杆泵由于橡胶耐温的限制，其井下泵深度通常不超过1 6 0 0 米，抽油机井受抽油杆强度、泵柱塞有效行程损失等因素的影响，其下 泵深度也通常不超过2 0 0 0 米，而且随着下泵深度的增加，抽油机的有效 行程急剧下降。而该产品只受井温的限制，将来最大下泵深度可达5 0 0 0 米，是实现小泵深抽工艺的理想采油方式。 ( 6 ) 并况适用性强 实际上，该电机只是提供了井下往复动力，通过配套双作用泵、防 气泵、防砂泵等井下泵，可适用于高气液化井、含砂井、高产井等各种 井况。 ( 7 ) 适用于工农关系复杂地区 该产品地面设备没有运动部件，除了井口和控制箱，没有其它产品， 也不需要专用变压器，实现了地面免维护与保养，对工农关系复杂的地 区，既减少了因盗窃破坏造成停机的几率，也提高了现场工人的安全性。 t l | 田“汕人学( o # 东) 硕i j 论文第3 章什f i u 潜八往复采。i ：阼特r 研究 通过远程监控，可以实现远氍，f 关 “lj j l ：，获得油井参数，代替了工人的 巡，i ：。 ( 8 ) 适用于海上油井 海上采油平台空问有限，无法安装抽油机。而井下单螺杆泵和离心 式也潜泵有许多局限，该产品在海上汕f 丌的丌发中有广阔前景。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章井下电潜式往复泵系统优化设计 第4 章井下电潜式往复泵系统优化设计 生产系统优化设计是油水井作业施工的依据。在油井的生产管理 过程中，生产系统优化设计占有十分重要的地位，生产系统优化设计 水平的高低直接影响着油井的开采效果，因而做好生产系统优化设计 意义重大。传统的凭经验出设计的方法，人为因素多、误差大，容易 造成一些不必要的损失。这也是电机选型计算，电机推力、温度场等 设计的基础。 4 1 油井流入动态( i p r 曲线) 的计算 油井流入动态描述油井产量与井底流压之间的关系闭，是油井生 产参数设计的依据和基础，通过油井流入动态的研究，可以科学预测 油井的产能，计算井底流压，并在此基础上进行生产系统的优化设计。 油层流动系统的流动规律可用油井流入动态曲线( i p r ) 来描述，根 据井的不同，可分为描述直井，斜井和水平井的i p r 曲线。 描述直井的流入动态，有v o g e l 方法【1 6 1 ，费特柯维奇方法【埘，s t a n d i n g 方法【1 8 】和h a r r i s o n 方法，它们都是适合于油气两相流的流入动态曲线， 其中，v o g e l 方法，费特柯维奇方法是研究完善井的，费特柯维奇方法假 设( 二刍) 与压力p 呈线性关系。 卢。a o s t a n d i n g 方法和h a r r i s o n 方法是在v o g e l 方程之上的发展，引入了 流动效率来描述油井的不完善程度，( 油井流动效率指井的理想生产压差 与实际生产压差之比) ，在此基础上得出了不完善井的流入动态方程。修 正了由于井的不完善性对流如动态的影响。s t a n d i n g 方法和h a r r i s o n 方 法的区别是前者计算i p r 曲线时，不能超过s t a n d i n g 提供的无因次曲线 的范围( f e = 0 5 1 5 ) 。而后者提供了f e = i 2 5 的无因次曲线范围， 扩大了s t a n d i n g 方法的适用范围，用它可以计算高流动效率井的i p r 曲 线和预测低流压下的产量。 中周l i 油人学( 牛东) 烦i j 论史第4 帝j i ：下l u 潜式让复泉系统优化设计 c h e n g 方法足描述斜，i ：流入动态的方法。优点足只门j 一组测试点便 可求得i p r 曲线，缺点足方程没