直驱式螺杆泵驱动装置设计（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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直驱式
螺杆
驱动
装置
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摘 要
直驱式螺杆泵抽油机驱动装置与常规的电潜泵抽油机、游梁式抽油机、螺杆泵抽油机相比具有明显的优越性。本文主要对直驱式螺杆泵驱动装置进行设计和改进，研究怎么样使螺杆泵驱动装置长时间稳定工作，还有如何使驱动装置能够满足螺杆泵在不同油井工作状况下的要求。从而达到在不需要其它传动机构的情况下仅仅利用电动机就能直接驱动抽油杆进行工作的设计方案；实现电机输出扭矩的方便控制，螺杆泵驱动电机的电流、电压保护；能够实现方便直接的速度调节功能。这种直驱式螺杆泵驱动装置能够解决现有的常规螺杆泵采用皮带轮传动所带来的一些缺点：皮带轮、减速箱传动效率低，速度不易调节，易损坏，维护不方便等。该装置包括四部分装置：机械密封装置、永磁驱动电机、轴向承载装置及卡瓦封井装置，将无级变速驱动系统与螺杆泵完美结合，将螺杆泵采油工艺进一步完善，达到一个新的水平。
关键词：螺杆泵；直接驱动；无级变速；机械密封
- 内容简介：
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本科毕业 设计 任务书 论文（设计） 题目 直驱式螺杆泵驱动装置设计 院（系、中心） 工程学院 机电系 专 业 机械设计制造 及其自动化 年 级 2011级 选题来源 科研 课题 纵向课题（ ） 选题类型 理论研究（ ） 横向课题（ ） 教师自拟课题（ ） 应用基础研究（ ） 学生自拟课题（ ） 技术或工程开发（） 论文（设计）的基本构思和基本任务： 基本构思： 针对油田采油螺杆泵不容易调速、耗能高、维护难等问题， 本课题 设计一种 直驱式螺杆泵驱动装置 。 该驱动装置的驱动 电机可以直接驱动螺 杆泵的抽油杆 旋转 ，具有转速可以任意调整、功率损失小、维护费用低等特点。 根据 直驱式螺杆泵驱动装置 的工作 要求， 确定该 螺杆泵直接驱动装置由永磁 电机、机械密封装置、 轴向承载装置及卡瓦封井装置等组成 。该装置 采用直驱式传动方案 ， 由永磁电机直接驱动抽油杆，进而驱动地下的螺杆泵进行工作。需要 选择合适的 机械密封和静密封，防止井内喷油 。 基本任务： （ 1） 根据课题要求 ， 查阅 与 采油螺杆泵 相关 的 中外文 资料 和专利 。 （ 2） 确定 直驱式螺杆泵驱动装置 的总体 结构设计方案 。 （ 3）根据螺杆泵的工况选择合适的永磁驱动电机。 （ 4） 选择合适 的 机械密封和静密封方案以及轴承 支撑 。 （ 5） 设计各 机械 部件 的结构和尺寸 ， 利用三维设计软件绘制 装置 的 三维 设计 图 。 （ 6） 对 关键零件 进行 强度 校核。 （ 7） 绘制 二维 总体装配图 0号图 1张 ，并对关键 零件 进行详细设计 ， 绘制 零件 的二维设计图 至少 8张 。 （ 8）撰写毕业 说明书 1份 。 目前的基础（包括资料收集情况、前期工作情况等） 理论方面： 目前已搜集 和 整理 了 关于 采油螺杆泵相关 的资料 和参考书， 查阅了 采油螺杆泵相关 的 国 内 外 现状与 发展趋势 ，了解了采油机械的种类和相关知识 。 基本上 明确了 直驱式螺杆泵驱动装置 的 工作原理 和基本结构 。 通过对前期所搜集的资料进行 学习，明确 了 直驱式螺杆泵驱动装置 的设计任务 和 设计思路 。 软件方面： 掌握了 三维设计 软件 和二维工程图 设计 的基本 用法 。 论文（设计）进度安排 2015年 3月 8日 3月 31日：查阅 关于 采油螺杆泵 的 国 内 外 现状与 发展趋势 的 相关 资料 ， 了解 采油螺杆泵的应用范围， 熟悉 直驱式螺杆泵驱动装置 的工作原理。 学习 相关 三维 设计 软件 的使用 ，翻译 相关外文文献。参加毕业实习，了解 实习单位与 毕业设计题目相关的应用 。 确 定 直驱式螺杆泵驱动装置 的总体设计方案 ， 撰写开题报告 ，完成开题 。 2015年 4月 1日 4月 10日 ： 进一步明确 直驱式螺杆泵驱动装置 的总体设计方案 。根据 直驱式螺杆泵驱动装置 的使用功能和 设计要求， 选择合适的 永磁驱动电机 、 机械密封和支撑轴承 等。确定水轮机的设计方案和总体结构。 确定 关键 零件的 结构和 尺寸 ，并对其结构参数进行计算和校核 。 2015年 4月 11日 4月 30日 ：设计 直驱式螺杆泵驱动装置 的 总体 机械结构，利用三维软件绘制 整体 机构 的三维 设计装配和零件 图 ， 并 对部分关键零件 进行 应力 分析和强度 校核 。 明确 各 零件的技术要 求， 绘制零件的 二维 工程 图 。 2015年 5月 1日 5月 19日 ： 进一步 完善 总体 设计， 完成二维工程 图 的设计 ， 完善 各 零件的 具体技术要求 ， 开始撰写毕业论文。 2015年 5月 20日 5月 27日 ：完善 毕业论文 ，准备毕业答辩资料 。 论文起止时间：自 2015年 3月 3日起 2015年 5月 31日止 学生（签名）： 指导教师（签名）： 院（系、中心）负责人（签名）： 对于多螺杆泵处理具有非常高气体体积分数的气 摘要 对多相螺杆泵在处理具有非常高气体体积分数的气 行理论和实验分析。一个新的 计算螺杆泵几个腔室内与时间有关的条件和各个腔室之间物质和能量交换的新型螺杆泵模型正在开发 。 通过 对装置特别是气体体积分数在 90至 99之间的装置 实验分析 对螺杆泵模型进行了验证。在进行了用基准流体的水和空气进行的 实验中 ， 可主要分为一方面稳态泵送行为的判定，另一方面选定瞬态运行条件的分析，而泄漏的可视化流经圆周间隙四舍五入的实验分析。 关键词 ： 螺杆泵 ； 泄漏流 ； 多相流 ； 间隙流 ； 气体体积 近年来，在多相泵机组的需求，特别是在石油化工行业稳步增长 的情况下 。几个以前的调查 1经表明，螺杆泵呈现一种能够满足对泵陆上和海上性能要求和可靠性的一种很有前途的方法。尽管如此，仍然需要一种在体体积分数高达近 100这种极端条件下能够满足安全仿真需求的工具。 因为对 多相螺杆泵处理气体体积分数非常高的气 - 液混合物泵送行为的调查做了 进一步的理论和实验分析。 主要开发了一种计算所有有趣流动变量和周围的旋转主轴的热力学条件的新的多相螺杆泵模型。 随后对已经开发的模型的实验研究，对不同的瞬态工况的分析，以及有关内部圆周缝隙流模式的理论整合验证了他们的意图 。 对多相螺杆泵的仿真程序 8,9是基于一系列由相互啮合的主轴和周围衬垫或壳形成的如图 1 所示的流体包围室中的瞬态模型。由于反向旋转的主轴的移动，各腔室几乎连续地从低压到螺杆泵的高压侧传输，而内部的腔室的流体被压缩累积由出现泄漏流动。 图 1 双流动螺杆泵的剖面图 如图 2 所示为 不同种类的腔室连接间隙。由于最大份额的泄漏流经周间隙（ 径向间隙（时隙 第一种方法中的 侧面间隙（ 忽略 不计。 图 2 不同种类的间隙的内部螺旋泵 腔室可以被视为 如图 3 所示的由几个间隙连接存储 的质量和能量，通过它的泄漏流动和在腔室以及 泵的 吸入和排出 时 发生 的物质和能量 的 交换 。 图 3 室连接的双 线程双螺杆泵三腔的方案 虽然该模型基本上类似于 1和克尔纳 2的模型 ，然而这种相似性仅仅局限在腔室的处理和 不同腔室连接间隙的装置 上 。然而，也有 许多其他新的进展，这些进展都与 间隙的建模后面的物理 有关 。例如： 在腔室和缝隙内的热效应的 介绍 ; 包括对抽水行为尤其是在泵的两相混合物具有很高的气体体积分数有巨大影响的临界流条件下的泄漏流动的可压缩性的介绍；以及使对流换热系数的测定和当地的缺口截面由于主轴的热膨胀将包含所做的更改的间隙的造型更加细节化。 忽略该室本身的动能和势能，遵循在开放系统热力学瞬态 过程的第一定律和其计算新的内部流体的能量或相应的室流入后外流的温度，能量守恒方程可以定义为 ： （ 1） 这个守恒方程可以应用于内根据一个方法，该方法中详细 人解释的腔室的两个阶段。 8和 9。 在每次模拟运行的开始，若干输入参数已被定义，如差压，气体体积分数，转速，气体和液体的粘度，以及另外的辅助参数，它们限定了泵的几何形状和数值求解方法。入口压力和温度以及出口压力都是固定的边界条件，而出口温度从最后一个封闭室和最终回压缩的温度的最后室的开口期间确定。 泵送气 这种方式中，轴向移动腔室具有一定的气体体积分数，其可以仅由或缩小所考虑的腔室的泄漏流之后改变。 为了计算通过所述互连间隙可压缩和粘性两相流，一套守恒方程的解决了用于与一个自由选择的空间离散化在流动方向上的各间隙： 质量守恒 （ 2） 动量守恒 （ 3） 能量守恒 （ 4） 在接下来的步骤，这三个常微分方程被重新安排了方便，同时计算成以下形式的矩阵与向量方程 10 （ 5） 与系数矩阵 A （ 6） 原始变量的矢量 X 与矢量 b 的右手侧的，其描述了对粘性流的外影响 （ 7） （ 8） 通过缝隙与粗糙表面的摩擦系数 为层流或紊流被定义 （ 9） 而均匀的密度和粘度 11和 12给出作为局部气体体积分数或两相混合物的质量分数的函数 （ 10） （ 11） 也用于内部的间隙局部雷诺数测定这些均相流体性质和正在播放的泄漏流率的计算中起重要作用。 此后常微分方程的系统通过为原始流量变量压力，速度和温度沿相应间隙的长度轴四阶龙格 - 库塔方案解决。 在腔室寿命时间，这等于在吸入侧上的两个腔室的周期性地层之间的时间中的所有腔室和流出泄漏流，被细分为若干子迭代，以确保内部的所有的热力学条件的平滑变化室。此外，一些外迭代必须完成的，它模拟来自泵吸入到排出腔室中的轴向运动，直到所有的临时腔变量收敛时间。 关于泄漏的气体体积分数流经圆周间隙，泵的入口气体体积分数和气体的内部这些间隙渗透之间的经验相关性成立。的相关性定义了所有的间隙内的液体单相流高达 75的泵入口气体体积分数。除此之外，一个渐进二阶增加气体渗透，从 0开始，直到最终单相气体泄漏流将在 100的泵入口气体体积分数达到。 由于该间隙离散或沿路径通过该间隙流的分辨率，如混合物的密度，间隙高度，摩擦系数，以及在或出自上述间隙的输送热的所有参数是可以改变的，并适于关于间隙和边界条件内的局部条件。通过这种方式，流解算器可以很容易地连接到另外的子模型，计算 对流热传递及周边固体组分如心轴，在图中 4 所示的内部的热传导。和衬套或外壳。 图 4 扇区与内部温度的定性分布，与低压吸力在左侧和高压放右侧卷轴 各个间隙作为升温的结果的几何形状变化和主轴下面的热膨胀 泵模拟运行之后，特性曲线可以由泵在本压差的净流量的计算来生成。此处的净流量等于泵的理论流量减去所有体积泄漏流量的总和，集成在一个单一的腔室寿命时间，通过所有的间隙进入共同泵吸入。两相混合物的压力和温度，以及进一步的变量的轴向分布，如果需要的话，可以很 容易地通过内部腔室的热力学条件和它们的相对轴向位置的装置产 试验装置，在图中所示。 5，为实验泵分析主要由螺杆泵由电动机，相分离或集水箱驱动的，两个半闭环的两相混合物的输送液体馏分和的液体重新冷却罐内容以及开环空气作为气体馏分。该气体是从加压空气网络，与液体相混合，只是在泵的吸入前，比得上普通进气歧管的燃料喷射，通过螺旋泵输送和由主节流阀释放回大气中减压后。 图 5 实验装置 除了全局运行参数，如吸入和排出压力的测量，流体的流入和流出的温度以及两相的体积流速等等的入口气体体积分数，实验装置 允许的进一步调查 沿螺杆包 6 微型压力传感器的压力分布，安装在泵壳体内。 温度分布沿螺杆包由 5 微型热电偶，集成了旋转主轴内，通过遥测系统的手段。 流模式和相位分布内主轴腹板和壳体孔之间的圆周间隙，借助于一平凹观察窗，由光学玻璃制成的。 使得向这些实验结果和其他必要的螺杆泵测试可能的话，下面的两个表 1和表 2 中示出了调查螺杆泵的几何参数，以及所述微型压力的轴向位置和温度传感器相之间的比较在泵的吸入侧开始螺杆包。 表 1 被调查的螺杆泵几何参数 描述 符号 值 外螺杆直径 D 100螺杆直径 d 70丝包长度 l20距 0程号 N 2 腔号 或 3 在皮质颗粒高度 70m 表 2 微型压力和温度传感器的相对于开始时的轴向位置螺丝包 两个传感类型的轴向位置（毫米） 序号 1 2 3 4 5 6 压力 12 32 52 7 92 112 温度 29 54 79 104 116 实验分析处理的稳态操作行为与发达螺杆泵模型的结果的比较，调查，在选定的测试例的情况下，以及在多相泄漏瞬态操作行为泵内流动。 态运行的行为 对于稳态操作行为，主要的净流量以及压力和温度分布的分析测定了不同的压力差，气体体积分数和旋转速度，最后相对于仿真结果。下面图。 6，图 7，图 8，图图 9 和图 10 顷示出在 2900 旋转速度和不同的参数设置的泵行为。正方形表示所测量的数据点，而是由螺杆泵模拟器生成的实线。图。图 6 中，实线进一步被扩展到更高的压力差，以显示在一个更好的方法理论结果的趋势。 图 6 在不同 验数据点和 2900 转速相比计算泵的特性 曲线 图 7 在不同 验数据点和 2900 转速相比计算压力分布 图 8 温度分布在 的压差和 2900 旋转速度的 90，进 行比较 图 9 温度分布在 的压差和 2900 旋转速度的 比较 图 10 温度分布在 的压差和 2900 旋转速度的 比较 暂的操作行为 螺旋泵内的准稳态压力分布只能由微型压力传感器，已检测到局部变化的压力在外壳的孔中沿螺杆包等距离轴向距离的表面的瞬态信号的评估来确定。 图 11 和图 12 期间的 5 腔的变化在 90和 98，在 和 2900 转速恒定的压差的气体体积分数表示六个压力传感器的信号。而压力传感器 1 号和 6 号正在演示的吸入和排出压力，所有其它传感器信号示出的总压力积聚本地分数。每个周期可以通过从泄漏流入考虑腔的初始压力增加和随后的压力降低，始发和所得流体压缩以及通过以下主轴幅的同一个降压到连 续的压力水平进行说明室。 图 11 微型压力传感器中的 90的 2900 转速瞬态信号 图 12 微型压力传感器中的 98的 2900 转速瞬态信号 不同的气体体积分数的压力信号之间的主要区别是沿主轴的长度的压力分布，其也示于图中的变化。 0的气体体积分数，第一腔室具有的压力建立一个非常小的贡献，而最大压缩的最后室内部发生。在 98的较高的气体体积分数然而，也将第一和第二腔室分别呈现出明显的压力增加，从而使一个近似线性的压力分布出现。 以及在第一室中的压力增加搭配减小混合物的密度和粘度的增加气体体积分数为负责该螺杆泵的净流量从第一腔室后面的增加泄漏流的结果的崩溃到吸入侧。 下面图 13 和图 14 表示在相温度在泵的吸入侧和排出侧的压力差的连续增加的时间依赖性影响。所述泵输送的气 - 液混合物与 96在 2900 转速的气体体积分数，而主扼流阀 90 秒后关闭，直到该压力差达到 10 巴的值。此后，阀被再次打开，排出压力下降到原来的水平。 图 13 节流阀封闭在 96的 2900 转速在瞬态压力差 图 14 节流阀封闭在 96的 2900 转速在瞬态温度信号 在差动压力的增加，气体流速为作为也在增加泄漏流率的原因强烈减少。温度传感器位于排放管的最低位置（ L，出）测得的相当大的温度上升。这是相对于其他的温度传感器，将其设在一个缩进正好在泵壳体下方（ G，出），并表现出很小的温度升高。 排放管的特点是一个 U 形虹吸管，因为放电凸缘的位置位于所述泵壳体的下方和管道必须连接到与主扼流阀的泵。将其定位在相同的高度，该泵壳的。尽管排放管内两温度传感器的准确定位，它不能假定先验，该传感器被测量的所有时间气态或液相的唯一的温度。因为所选择的传感器的位置和一个重力引起的相分离，但 是，测定两相的混合物的温度的期间被保持尽可能短。其原因涉及液相较高温度增加可通过以下事实液相的特点是更强烈的内部，自然循环等的热释放不足发生不同的气相进行说明。考虑一个理想的泵送过程中，其中两个相输送和压缩只有一次，气相会清楚地显示了较高的温度上升。 两个传感器，其测量流入的气体和液体相的温度，压力差的增加期间注册没有温度变化。仅节流阀的打开期间，该传感器用于在所述混合部的前方的配管内的气体流入温度测定的简短而明确的温度峰。由注入的液体和温度传感器作为两相的密集回旋的原因的头部之间的临时接触，由于气体流量的 快速增加，这只能进行说明。 这两个 图 15 和图 16 本最后一个长持续气态废料，从而进入所述泵通过液体注入的一段大约 45 秒的停机的装置的模拟。在只有 和 2900 转速的压差达到一气体 - 液体混合物与 98的气体体积分数的稳定状态搬送后，液体注入阀被关闭突然。气体流速关于此提高了近于泵的理论流量，而全球气体体积分数相应地增加至 100。 图 15 液体注入的在 98的初始 个关闭和 2900 转速在瞬态全球 图 16 液体注入的在 98的初始 个关闭和 2900 转速在瞬态主轴的温度 作为缺席前连续地注入液体相的原因，密封能力已丢失非常快，这是导致先于一个抛物线减少，其次在一个消失压差。在第一阶段，平均主轴温度增加最初只是大约 由于液体喷射的快速关断。但在第二阶段，其中，所述压差达到几乎零电平，主轴温度急剧升高，直到该喷射阀被再次打开，以防止可能损坏泵由于干运行状态或装载严重的热膨胀的主轴。 隙流的可视化 用于流体组合物的检测和通过周向间隙的两相泄漏流的流型，压力和温度的耐观察窗被集成到泵壳体。矩形窗，将其制成非反射光学玻璃，有在视线的平面凹 形状，而曲率恰好到壳体孔的半径进行调节。通过这种方式，它可以被固定，即在圆周间隙保持其恒定的或一致的高度和形状。 可视化本身，由高速数字相机的特写镜头和两个强大冷光源与柔性光纤来实现，如图 17所示主要目标是 90和 98的渗漏行为之间不同的入口气体体积分数的影响的在 和2900 恒定的旋转速度，例如以恒定压差的分析。 图 17 实验装置的高速成像 对于所提到的泵操作参数，图 18，图 19，图 20 和 图 21 所示 为 两相泄漏流经沿螺杆包和内部的腔室，在这种情况下，从左边向右移动流体条件的所有圆周间隙。具体观察画面以及相应的高速视频，这是进行以每秒 5000 帧的速度将导致以下定性描述的： 内周间隙以及内部腔室中的流动进行了表征两个阶段，这很好地混合，随机分布的。 在所有周向间隙，这是连接不同压力水平的两个腔室，所述流体组合物和所述流型分别表示没有大的变化，在主轴的轴线方向。 另外，在每个闭合，因而实际腔室，一个类似的流动条件可以发现。 内部腔室中的流动条件，主要影响是由于泄漏流代替主轴旋转（这可以在最后腔室到泵的排 出，当强烈混合停止，单个液滴和液滴聚集成为可见的开口中可以观察到） 。 用于增加气体体积分数，压力积聚从放电侧（左）至吸入侧（右），这是等于第一腔室内部的压力增加或抛物线压力分布的变化成线性运动之一，并在附近的泵吸入增加回流。 图 18 泄漏流动的皮质颗粒内 - 2900 转， 90和 图 19 泄漏流动的皮质颗粒内 - 2900 94和 图 20 泄漏流动的皮质颗粒内 - 2900 96和 。 图 21 泄漏流动 的皮质颗粒内 - 2900 转， 98和 。 一个新的理论螺杆泵模型来计算体积和热力泵特性的最有趣的变量，以及当地分布和融合的历史，特别是在非常高的气体体积分数。 期间增加了气体体积分数为 90到 99时，稳定状态的泵送行为变化明显。抛物线压力轮廓回头成几乎线性轮廓，这也是存在于纯粹的液体的情况下，与所述第一腔室内部的不可忽略的越来越大的压力值。泄漏流被如此增加，泵的净体积流量已开始分解。 在非常高的气体体积分数，该两相混合物的灭液体相是不能够吸收压缩热量。这一事实的结果是显着增加的温度上升沿螺杆包，而全球温度传感器检测高得多的温度的升高。这样做的原因是流体，它首先被泵送其次流回通过泄漏通道的一部分。此流体被如此循环泵内，将被加热强得多，相比温度上升沿螺杆 包 。 如瞬态泵分析的情况下，差动压力和入口气体体积分数的瞬时变化对螺杆泵的全局和局部热行为有直接影响。 而第一例在泵运行无严重的影响，除了减少体积流量，其次介绍了主轴危险的热负荷，同时在一个消失的压差的情况下在一个纯粹的气体流体泵。 通过圆周间 隙泄漏流动的可视化，给出了流体组成的非常重要的定性信息以及两相流流型。 经 现实条件下进行的 分析结果显示 的是里面所有的连接不同压力等级的两腔室接近随机的高气体体积分数，但充分混合泄漏流圆周差距。 更进一步，在间隙的流体成分的定量研究以获得在泵的吸入和圆周间隙内的气体体积分数之间的关系的准确信息将是可取的。 到目前为止， 这种关系只能通过由模拟和实验得到的曲线拟合方法对特性曲线和压力分布来获得。 参考 文献 1 M. 1992. 2 H. 1998. 3 K. S. T. A. 1998, 6469. 4 C. P. X. S. of a of 215 (2001) 157163. 5 P. in 212004, 6. 6 S. r., of a 2004, 251260. 7 T. T. D. A of 42004, 313327. 8 K. J. G. of a at of 35, 2006. 9 K. J. G. of of 132007, 91104. 10 in , 1998. 11 S. n 1999. 12 I 4 (1942). 致谢 感谢 及纽伦堡大学应用科学的机械部和屋宇设备工程学的技术支持和有力的协作。 of a as as of of at of on in of as as of a by as 3, so as as of is to 12, is in to of of of of +44 1443 2 (2008) 169417011a to on is a on to 00%a of to of a by or as 1. to of to of is by of 2. to s of is be in a be as on in - 211 2008 of 008 e 8,9 on a of a of 0% 9%. be of b, , J. G. 8 008in 2 0087 008of of A J/d mD mg m/J/mk mm J/kg mQ JR J/in of of of et of of on of is in of as a of be of Ku J/m/sW Jx y, z or mA an be of a or of a C1 C0 C1 2 g C1 g C1 1. of a of Pa sq kg/2 (2008) 16941701 1695be to to a is in et 8,9of to be as as as as as is of of of is by of In a be 2. of a 3. of a 5, of by an a or of of as an as 1 C0 1 C0 x of in of of 11,12 a of or k or is 96e 6 40002:0 C1 7e 4000(9by in or of a of a in 15 of w C1 0 2of k 1 0 3of w a a a 10 of 1b 5A w 00 266437756 of b of on 7b w=14 C1 81696 K. et by a of in of of on is to a of to be of to in of an of a up to a 5%. a of %, a be at a 00%to or of as as of be be to on or of as a of of by of of at is to of of a of as if be by 4. of a of at at 2 (2008) 16941701in of to an by of a in of as as of as as to 610 at a 900 by 6, to 5. 6. at a 900to et 2 (2008) 16941701 1697to by of of as as of so of of a by a of a of of as as of to on of of 100 d 70 of 2of of Gs of to of o. 1 2 3 4 5 62 32 52 72 92 1129 54 79 104 116 7. at a 900to to of a be by an of of at of 11 2 of a at a 8%, a .0 a 900 o. 1 o.6 of be by an a as as of 10. of at a 8%, a .0 a 900 9. of at a 4%, a .0 a 900 11. of at a 0% 900 8. of at a 0%, a .0 a 900 . et 2 (2008) 1694170112. of at a 8% 900 a to of of is of is 7. At a 0%, a to At a 8% so a in as as a of of as a of to 13 4 of a of at of a a 8% at a of .0 a 900 14. a at a 6%K. et 2 (2008) 16941701 16996% at a 900 0 s a 0 to as a of at tL,a is in to in an tG,a by a of to be to at of In of position 1 本科毕业设计 开题报告 题 目 直驱式螺杆泵驱动装置设计 2 一、选题依据 课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值 在世界诸多能源中，石油资源是最重要的能源之一，具有能量密度大、运输储存方便、燃烧后对大气的污染程度较小等优点。经过石油化工提炼的汽油、柴油等燃料油是运输工具、冶金工业等工业的主要燃料。以石油为原料的液化气和管道煤气已经成为城市居民生活必不可少的优质燃料。石油制品还广泛地用作各种机械的润滑剂，沥青是公路和建筑的重要材料。石油化工产品广泛地用于农业、轻 工业、纺织工业以及医药卫生等部门，如合成纤维、塑料、合成橡胶制品，已成为人们的生活必需品。飞机、坦克、舰艇以及航天器，也需要大量的石油燃料。因此，石油资源不仅是一个国家重要的经济命脉，而且是一个国家重要的战略物资。 石油是深埋在地下的流体矿物，在开采石油的过程中，采用油气从储层流入井底，又从井底上升到井口的驱动方式。石油从地下到井口采用的驱动方式也是多种多样的，有游梁式抽油机驱动系统、电潜泵抽油机驱动系统、螺杆泵抽油机驱动系统等。在各种驱动系统中又有多种不同的驱动方式，所以开采和驱动技术的发展起着至关重要的 作用。 螺杆泵是近几年来迅速发展的一种节能、高效的新型机械采油设备，结构简单、体积小、重量轻，它比游梁式抽油机节电综合率高达 30%，价格是游梁式抽油机的 1/3。特别适合高粘稠油及高含气、高含砂、高含水油田的原油开采，能有效地克服气锁、砂卡等现象。近几年，螺杆泵采油技术在国内外油田得到了快速发展，在开采不同类型油藏以适应抢、能耗低、泵效高、占地面积小、适应高含砂井和地产油井以及稠油开采等技术优势，在油田开发生产中起到了越来越重要的作用。但如何提高螺杆泵驱动系统的效率和增强保护控制成为了一个急需解决的问题。 螺 杆泵地面驱动装置是螺杆泵采油系统中的动力输出设备。目前国内各油田所使用的螺杆泵抽油机驱动系统多是定速驱动装置，由单速或双速电机经皮带轮作减速传动，经伞形齿轮驱动光杆带动螺杆泵工作。此类装置起动转速高、转动冲击惯性大、不完全适应螺杆泵起动时的需要。因为螺杆泵主要用于开采重油，要求起动负荷大，因此需要一个低转速、大扭矩的驱动装置来驱动井下泵运转。若按正常运转时所需的转矩选择功率，就会出现因功率小起动困难或无法起动；若按起动转矩选择装置时，在长期生产运转情况下，又会严重浪费能源，不能为螺杆泵提供一个合理的转矩参数 。另外，现有装置不能有效地适应不同状态的油井使用，而且同一口油井的负荷在生产过程中随着地层压力的改变又在不断变化，固定的转速不方便调整参数来适应不同的油井、不同开采使其的实际生产需要，还容易是井下的泵收到损坏（如会出现泵内五液空转，发生干磨而损坏螺杆泵定子等事故），而且皮带和齿轮的传送，在运行中要消耗大量的能量。目前油田螺杆泵采油系统存在下列不足：一是机械传动效率偏低、系统效率不高；二是起动转速高，转动冲击惯性大，容易断杆；三是调参困难，不易调速、不易于维护和监控各种生产参数；四是螺杆泵驱动匹配装置过大，能 耗大；五是卸扭技术差，容易反转脱扣或其他事故；六是自我保护能力差，维护工作量大。 直驱式螺杆泵抽油机驱动系统主要研究如何提高驱动系统的可靠性及如何满足螺杆泵在不同工况下对驱动系统的要求，实现电机直接驱动光杆，无需其他 3 传动机构；实现螺杆泵驱动电机的电压、电流保护，控制电机的输出扭矩；实现电机的软启动；实现抑制式软刹车停止方式；实现无级变速调速控制方式；实时监视螺杆泵的运行状态参数。整个系统是利用控制器的电量参数分析螺杆泵运行时的状态，实时监控螺杆泵的运行状态，实现螺杆泵运行系统的安全、集中、智能化的管理。形成 先进的无机变速驱动系统与螺杆泵的完美结合，把螺杆泵采油工艺技术提高到一个新的水平。 4 二、文献综述 国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献 石油是重要的能源，日常经济生活，工业生产，航空军工都需要石油作为能源和原料。经过石油分离出的汽油、沥青等化工产品广泛应用到人们日常生活中。 到 2010 年中国的石油需求达到 380右，而国内可提供的室友资源量为190右，因此中国石油对外依存度将增长约 50%。专家甚至预言，由于中国石油产量不可能大幅增长 ，今后新增的石油需求量几乎要全部依靠进口，到 2020年前后，我国石油进口量有可能超过 300为世界第一大油品进口国。 但是与此同时也不能不看到，我国的石油供应安全不仅会受到与供应安全链紧密相关的国家或地区政治、经济和军事事态发展的影响，而且会受到大国的竞争和挤压。因此，对石油安全的关注正在成为影响我国外交政策和战略方针的重要因素。我国政府正在调整原油进口的渠道，拓宽其来源，并且有计划地增加石油储备。总之，我国对中东石油依赖度的增加，是我国的石油安全受到威胁，同时也考验了我国处理国际事务的能力。 我国是 人口大国，一方面平均拥有石油资源少，另一方面石油采收率不高，由于技术落后，开发过程中破坏性开采比较严重。我国陆上油田一般采用常规的地下注水方式开发，平均采收率只有 30%左右，仍有大量的储量滞留在地下，而对那些低渗透油田、断块油田、稠油油田等来说采收率更低些，有的采用电加热和化学试剂驱动等诸多方式来提高采收率，因而提高原油采收率是面临的关键问题。 石油开采方式有自喷式采油和机械采油，自喷式采油是由于地下含油层压力较高，凭其自身压力就可以是原油从井口喷出的采油方式。机械采油则是利用各种类型的泵把原油从井中抽出。 目前我国石油开采以机械采油为主。不同的地质情况不同的油品性质采用不同的机械开采方式。国内机械采油装置主要分有杆泵和无杆泵两大类。有杆泵地面动力设备带动抽油机，并通过抽油机带动深井泵。无杆泵不借助抽油机来传递动力的抽油设备。目前无杆泵的种类很多，如水力活塞泵、电动潜油离心泵、射流泵、振动泵、螺杆泵等。 图 1 常规机械采油 5 螺杆泵采油作为一种新兴的人工举升方式，投资少、设备结构简单、操作方便、节能效果明显以及适应性强等特点，能有效降低采油成本 ，提高采油效益，具有抽油机柱塞泵、潜油电泵、水力活塞泵等机采方式无法比拟的优点而备受国内外油田重视。与其他人工举升方式相比，螺杆泵低投资、低能耗、对介质适应性强等优势在油田高含水期挖潜增效的作用日益凸显。 图 2 螺杆泵工作原理图 以大庆油田为例，“十一五”以来，随着以螺杆泵为代表的低能耗举升方式的不断发展与完善，大庆油田加大了螺杆泵应用力度。一是在产能新井上，共应用螺杆泵 1611 口，占投产新井总数的 二是结合举升方式调整转换，实施抽油机、电泵 转螺杆泵 1080 口。螺杆泵井数由 2005 年的 2001 口增加到 2009 年5714 口，占机采井数比例有 高到 年耗电量约占采油生产耗电的十分之一，已逐渐成为油田主要耗能设备。 为贯彻国家节能减排的目标，降低机采井能耗已势在必行。在能源供应紧张、节能减排形式十分严峻的今天，开发应用机采系统节能减排技术不但有可观的经济效益，还有这重大的社会效益。 驱动技术伴随着开发技术的进步得到了快速发展，经历了从游梁式抽油机、电潜泵抽油机、螺杆泵抽油机等几种不同的采油设备。采油系统使用过的采油设备种类繁多，根据采 油方式的不同，主要有以下几种：游梁式抽油机，电潜泵抽油机、螺杆泵抽油机、高原机。螺杆泵用于原油开采近二十年，按照驱动方式分为潜油电动螺杆泵和地面驱动井下螺杆泵抽油机。螺杆泵地面驱动装置根据其驱动装置的结构不同又分为螺杆泵直接驱动方式和螺杆泵测驱方式（传统式螺杆泵驱动方式）。目前油井上普遍使用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 6 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。研发的直驱式螺杆泵驱动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。 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。 参考文献： 1杨野 . 大庆油田机械采油节能技术现状及展望 . 油气田地面工程 . 2007. 15（ 9） 17 2陈晓军 . 直驱式螺杆泵驱动装置设计 . 石油矿场机械 . 4）25 3黄有泉等 . 大庆油田螺杆泵采油技术新进展 . 石油机械 . 1)12 4张霞等 . 螺杆泵采油工艺技术现状 . 油气田地面工程 . 9） 34 5于爽等 . 直驱式螺杆泵在陆上作业区的应用 . 中国石油和化工标准与质量 . )25 6韩玉秀 . 新型直驱式螺杆泵驱动系统在油田生产中的应用 . 工业技术 . 35） 24 7 三、研究内容 1 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术） 针对背景技术中存在的问题，需要解决皮带轮和减速器传动造成的功率损失和效率低下的问题，同时使结构更加简洁，使其在后期的使用中维护方便。该驱动装置的动力电机可直接驱动螺杆泵抽油杆运转。 必须解决的三个技术问题： (1)选择合适的速度可以任意调节的电动机； (2)如何做好整套装置的密封工作； (3)装置会受到抽油杆柱的冲击，如何承载载荷。 2 拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 研究方法： （一）文献研究法：通过查阅文献，了解国内过螺杆泵驱动技术的研究和应用，学习相关装置、机构的使用。 （二）探索性研究法：通过学习国内外先进的技术，发现已有技术的缺陷进行补足，进而完善自己的设计方案。 （三）数学方法：通过假设的工作情景，设定相关要求，通过数学计算 确定机构的各项数据，计算出所需要的功率等。 技术路线： 图 3 技术路线 实施方案： 针对研究内容中的三个主要的技术问题，查
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