專利名稱：一種螺桿泵地面直接驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應用于油田舉升技術領域中的裝置，具體的說是涉及一種安裝在地面上直接驅動螺桿泵的裝置。
背景技術：
目前油田上普遍使用的螺桿泵驅動裝置是由井口、動力電機、皮帶、減速器、抽油桿密封盤根等部件組成。在這種驅動裝置下工作存在如下問題一、調整螺桿泵轉速只能通過更換電機皮帶輪來完成，非常不方便，并且受皮帶輪的尺寸限制，導致螺桿泵的轉速不能實現連續(xù)線形調整。二、由于存在皮帶和減速器，使得大約有20％的功率被白白損耗。三、在日常生產管理中減速器、皮帶等配件易損壞，維護費用較高。四、當螺桿泵轉速較高時地面?zhèn)鲃釉O備存在安全隱患。五、棘輪棘爪機械式防反轉制動裝置的使用嚴重影響螺桿泵井下抽油桿、油管的使用壽命。

發(fā)明內容
為了解決現有螺桿泵驅動裝置在使用中存在的功率損耗大、螺桿泵轉速調整困難以及運行安全系數低，維護費用高的問題。本發(fā)明提供一種螺桿泵地面直接驅動裝置，該種螺桿泵地面直接驅動裝置能夠直接驅動螺桿泵抽油桿運轉，將軸向承載、機械密封、靜密封及動力電機集于一體，可以直接調整螺桿泵運行轉速，并且不再使用減速器、皮帶等易磨損配件配件，降低了能量損耗，減少了維護成本，提高了運行安全系數。
本發(fā)明的技術方案是該種螺桿泵地面直接驅動裝置，由扭矩傳遞卡子、盤根壓蓋、盤根、軸頭、密封膠圈、連接鋼鍵、機械密封裝置定盤、電機上端蓋扶正軸承、電機上端蓋、機械密封裝置動盤、密封管扶正軸承、電機轉動軸、電機殼體、密封管、軸向承載錐軸承、電機下端蓋、電機下端蓋扶正軸承、法蘭盤連接螺栓、法蘭盤、固定壓蓋、三通連接密封膠圈、卡瓦封井器、三通集油管線、法蘭盤連接立柱、法蘭盤以及電機的供電單元構成。將由機械密封裝置定盤、電機上端蓋扶正軸承、電機上端蓋、機械密封裝置動盤、密封管扶正軸承、電機轉動軸、電機殼體、密封管、軸向承載錐軸承、電機下端蓋、電機下端蓋扶正軸承等零件構成的單元稱為空心軸電機，在電動機下端蓋內嵌有一個軸向承載錐軸承，電動機轉動軸為空心，在該軸內安裝一根空心密封管，所述密封管與電動機轉動軸之間固定有一套機械密封裝置，分別稱為機械密封裝置定盤和機械密封裝置動盤，機械密封裝置定盤與密封管之間通過頂絲固定，機械密封裝置動盤與電動機空心軸之間通過膠圈密封，機械密封裝置定盤和機械密封裝置動盤形成工作面，實現機械密封，在密封管外與電動機轉動軸的內壁之間固定有一個密封管扶正軸承。所述空心軸電機通過法蘭盤連接螺栓直接固定在螺桿泵井口法蘭盤上，螺桿泵抽油桿穿過電動機轉動軸通過扭矩傳遞卡子連接，通過連接鋼鍵直接傳遞電機扭矩，軸頭和抽油桿通過盤根壓蓋、盤根實現靜密封，軸頭和電動機轉動軸通過密封膠圈實現靜密封。所述卡瓦封井器由卡瓦和密封橡膠兩部分組成，固定在三通集油管線的內管中。
此外，將原地面棘輪棘爪防反轉制動裝置取消，改為在電動機的三相主供電回路上相間并聯一組作星型連接的制動電阻，該制動電阻的投入與停用由主觸點繼電器上的常閉觸點控制。
本發(fā)明具有如下有益效果由于采取上述方案，取消了現有驅動裝置中的減速器、皮帶等傳動部件，傳動機構簡化。同原驅動方式對比電能損耗下降約30％，日常維護費用顯著減少。其次，將高速旋轉電機改為低速旋轉電機，提高了井口設備運行的安全系數，避免了安全事故的發(fā)生。再次，采用了電磁制動防反轉技術，延長了螺桿泵井下抽油桿、油管的使用壽命。此外，通過專用驅動器實現輸出轉速的連續(xù)調整，生產參數可以靈活調整，方便生產管理的同時，提高了單井的原油產量，延長了螺桿泵的檢泵周期。


附圖1是本發(fā)明中機械部分的結構剖視圖。
附圖2是本發(fā)明中電氣控制部分主回路的電氣原理圖。
附圖3是本發(fā)明一個實施例下電動機驅動器的電氣原理圖。
圖中1-抽油桿，2-扭矩傳遞卡子，3-盤根壓蓋，4-盤根，5-軸頭，6-密封膠圈，7-連接鋼鍵，8-機械密封裝置定盤，9-電機上端蓋扶正軸承，10-電機上端蓋，11-機械密封裝置動盤，12-密封管扶正軸承，13電機轉動軸，14-電機殼體，15-密封管，16-軸向承載錐軸承，17-電機下端蓋，18-電機下端蓋扶正軸承，19-法蘭盤連接螺栓，20-上端法蘭盤，21-固定壓蓋，22-三通連接密封膠圈，23-卡瓦封井器，24-三通集油管線，25-法蘭盤連接立柱，26-下端法蘭盤，U1-單片機控制單元，U2-IGBT驅動單元，U3-變頻調速單元。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明本發(fā)明的目的是研制一種油田用螺桿泵地面直接驅動裝置，在安裝時，使螺桿泵抽油桿穿過空心的電機轉動軸，空心軸動力電機直接驅動螺桿泵抽油桿運轉，將螺桿泵井口的軸向承載裝置和機械密封裝置設計在電機的端蓋和空心軸里，實現軸向承載、機械密封及動力電機集于一體，同時采用電磁制動技術，解決螺桿泵反轉制動。
基于上述目的，按照以下步驟設計一是將常規(guī)螺桿泵傳動用的減速器和皮帶取消，螺桿泵抽油桿直接穿過動力電機的空心軸，通過卡子連接直接傳遞動力；二是井口出油三通油管直接連接空心電機軸里的密封管，在電機上端蓋處實現機械密封。
三是在電機下端蓋設計了軸向承載錐軸承，用于螺桿泵井口的軸向承載，利用電機上、下端蓋軸承作為徑向扶正軸承。
四是在井口法蘭盤位置設計卡瓦封井器，電機檢修、更換密封盤根時不用動用吊車等設備，可以直接進行維護作業(yè)。
五是在電動機的控制裝置中設計電磁制動技術，實現螺桿泵抽油桿反轉的電磁制動。
具體技術方案如圖1所示，針對原有螺桿泵傳動結構和盤根密封位置都作出了很大的改進，具體的說由扭矩傳遞卡子2、盤根壓蓋3、盤根4、軸頭5、密封膠圈6、連接鋼鍵7、機械密封裝置定盤8、電機上端蓋扶正軸承9、電機上端蓋10、機械密封裝置動盤11、密封管扶正軸承12、電機轉動軸13、電機殼體14、密封管15、軸向承載錐軸承16、電機下端蓋17、電機下端蓋扶正軸承18、法蘭盤連接螺栓19、上端法蘭盤20、固定壓蓋21、三通連接密封膠圈22、卡瓦封井器23、三通集油管線24、法蘭盤連接立柱26、下端法蘭盤27以及電機的供電單元構成。
將由機械密封裝置定盤8、電機上端蓋扶正軸承9、電機上端蓋10、機械密封裝置動盤11、密封管扶正軸承12、電機轉動軸13、電機殼體14、密封管15、軸向承載錐軸承16、電機下端蓋17、電機下端蓋扶正軸承18等零件構成的單元稱為空心軸電機，在電動機下端蓋17內嵌有一個軸向承載錐軸承16，電動機轉動軸13為空心，這樣螺桿泵抽油桿、液柱等軸向載荷通過電機空心軸作用在這個軸向承載錐軸承16上，從而實現軸向力的分配。在該軸內安裝一根空心密封管15，所述密封管15與電動機轉動軸13之間固定有一套機械密封裝置，分別稱為機械密封裝置定盤8和機械密封裝置動盤11，機械密封裝置定盤8與密封管15之間通過頂絲固定，機械密封裝置動盤11與電動機空心軸13之間通過膠圈密封，機械密封裝置定盤8和機械密封裝置動盤11形成工作面，可承受1～2Mpa的液體壓力，實現機械密封。在空心密封管15外與電動機轉動軸13的內壁之間固定有一個密封管扶正軸承12，利于空心密封管15對中，保證密封效果，底端連接有固定壓蓋21，兩者共同實現支撐和扶正的功能。在空心密封管15的底部通過三通連接密封膠圈22與螺桿泵采油樹井口三通連接并密封；卡瓦封井器23由卡瓦和密封橡膠兩部分組成，修井時關閉卡瓦封井器23，卡瓦將抽油桿卡緊、密封橡膠將抽油桿與油管空間密封，此時，螺桿泵抽油桿、液柱等軸向載荷作用在卡瓦封井器23上，可以拆除螺桿泵電機、軸頭、機械密封裝置進行螺桿泵的修井維護，而不需要動用吊車等修井設備。
螺桿泵動力電機通電工作時，空心電機軸13通過扭矩傳遞卡子2、軸頭5、連接鋼鍵7帶動抽油桿1旋轉，螺桿泵抽油桿、液柱等軸向載荷通過軸頭5、電機空心軸13作用在電機下端蓋的軸向承載錐軸承16上，實現軸向承載；軸頭5和抽油桿1通過盤根壓蓋3、盤根4實現靜密封；軸頭5和電機空心軸13通過密封膠圈6實現靜密封；空心密封管15與井口集油管線通過三通連接密封膠圈22連接，空心密封管15電動機空心軸13之間通過機械密封裝置8、9實現機械密封；卡瓦封井器23在螺桿泵正常生產時打開，只有在修井維護井口設備時用于卸載和密封井口。
所述空心軸電機通過法蘭盤連接螺栓19直接固定在螺桿泵井口上端法蘭盤20上，螺桿泵抽油桿1穿過電動機轉動軸13通過扭矩傳遞卡子2連接，通過連接鋼鍵7直接傳遞電機扭矩，軸頭5和抽油桿1通過盤根壓蓋3、盤根4實現靜密封，軸頭5和電動機轉動軸13通過密封膠圈6實現靜密封。所述卡瓦封井器23由卡瓦和密封橡膠兩部分組成，固定在三通集油管線24的內管中。
所采出原油在此驅動裝置中的具體流動過程為螺桿泵工作時井下原油在螺桿泵驅動壓力作用下流出井口，一方面由三通集油管線24流出至地面集油管線或地面其它容器設備里；另一方面由三通集油管線24流入電動機空心軸里的空心密封管15，由于軸頭5和抽油桿1通過盤根壓蓋3、盤根4實現靜密封；軸頭5和電動機轉動軸13通過密封膠圈6實現靜密封；密封管15與電動機轉動軸13之間實現機械密封，所以這部分油流被阻截。
為了解決現有螺桿泵井抽油桿地面驅動裝置防止抽油桿反轉時采用棘輪、棘爪機械式結構容易損害井下抽油桿、油管壽命以及存在安全隱患的問題，在上面技術方案的基礎上，進一步改進增加一種電磁制動的功能而省去棘輪棘爪，以便于能夠在45秒鐘的時間內使電磁轉矩逐漸減少，從而把因抽油桿變形產生的扭矩逐漸緩解和釋放。具體方案為將電機供電單元中在電動機的三相主供電回路上相間并聯一組作星型連接的制動電阻，該制動電阻的投入與停用由主觸點繼電器上的常閉觸點控制，主回路圖如圖2所示。結合這個改進需要在螺桿泵井電機原驅動器殼體中進行改進，以配合完成電磁反轉制動。在這個驅動器殼體內，由下列單元組成螺桿泵井抽油桿防反轉電磁制動裝置，這些單元分別為單片機控制單元U1、IGBT驅動單元U2以及變頻調速單元U3，如圖3所示。其中單片機控制單元U1主要由單片機構成，在這里，可以選用89C52型單片機。89C52型單片機上的四個信號輸入端分別接收來自于螺桿泵井停轉按鈕、螺桿泵直流電動機上三個光電式位置傳感器H1、H2、H3傳來的信號，我們這里所述的光電式位置傳感器H1、H2、H3是指安裝在螺桿泵直流電動機定子內以感知轉子位置的光電式傳感器，當電動機轉子旋轉時，光電式位置傳感器H1、H2、H3不斷導通和截止，這些信號通過P011、P012、P013傳輸給單片機89C52。
變頻調速單元U3由六組絕緣柵極雙極型晶體管組成，此六組絕緣柵極雙極型晶體管連接成三相全波整流電路，其三相引出端作為引出驅動器殼體外的螺桿泵直流電動機驅動端。
IGBT驅動單元U2由六組TLP250型IGBT驅動電路組成，每組的驅動信號輸入端連接到單片機控制單元中單片機的相應輸出端，每組的IGBT驅動信號輸出端連接到變頻調速單元中相應絕緣柵極雙極型晶體管的導通觸發(fā)控制端。
選用TLP250驅動IGBT進行直流電機換相、調速控制。絕緣柵極雙極型晶體管IGBT的柵極驅動電壓一般為15V，關斷負偏置電壓為5V，TLP250內部通過光電耦合實現控制電路與主電路隔離?？刂浦绷麟妱訖C時必須知道轉子的位置，直流電機中采用了三個光電式位置傳感器，隨著電機轉子的旋轉，光電傳感器H1、H2、H3不斷輪流導通和截止，這些信號通過P011、P012、P013口傳輸給單片機89C52，單片機輸出端1、2、3、4、5、6腳送出相應的控制電平，IGBT驅動電路TLP250內部的光電偶合電路的3腳接收到一個低電平時，IGBT的柵極驅動電壓近似為15V，該路IGBT導通。反之3腳接收到一個高電平時，IGBT的柵極驅動電壓近似為-5V，該路IGBT截止。六只IGBT驅動電路TLP250隨著輸入電平變化、輸入時間間隔變化，可以控制各個IGBT的開斷，從而實現轉速的監(jiān)測和調整。當按下螺桿泵停轉按鈕后，由單片機發(fā)出停機指令，在程序控制下，六個輸出端不斷延長IGBT的開斷間隔和不斷降低控制電平，電機輸出轉矩不斷降低，當低于抽油桿反轉動能產生的反作用轉矩時，抽油桿在電機轉矩控制下開始反轉，經30秒的時間，IGBT完全截止，抽油桿動能釋放完畢停止，實現帶電停機。
采取上述方案后，在需要停機時，在單片機的控制作用下，變頻調速單元從速度控制狀態(tài)變?yōu)檗D矩控制狀態(tài)，在30秒內電磁轉矩逐漸減少，把傳動桿變形產生的扭矩逐漸緩解和釋放，由此減少了沖擊載荷，延長了抽油桿、抽油管的使用壽命。電網整體失電時，控制電路繼電器主觸點斷開切斷驅動器電路，輔助觸點閉合接入制動電阻，此時螺桿泵抽油桿在彈性動能的作用下將產生高速反轉，電機處于發(fā)電狀態(tài)，電機繞組通過制動電阻產生制動電流，使電機反轉速度降低，電機控制抽油桿反轉轉速，抽油桿反轉動能緩慢釋放，直到完全停止。
由于采取上述方案，取消了現有驅動裝置中的減速器、皮帶等傳動部件，傳動機構簡化。一是同原驅動方式對比電能損耗下降約30％，日常維護費用顯著減少；二是將高速旋轉電機改為低速旋轉電機，提高了井口設備運行的安全系數，避免了安全事故的發(fā)生；三是電磁制動防反轉技術的應用，延長了螺桿泵抽油桿、管的使用壽命；四是通過專用驅動器實現輸出轉速的連續(xù)調整，生產參數可以靈活調整，方便生產管理的同時，提高了單井的原油產量，延長了螺桿泵的檢泵周期；五是卡瓦封井器的應用降低了設備維護工作量。
權利要求
1.一種螺桿泵地面直接驅動裝置，由扭矩傳遞卡子(2)、盤根壓蓋(3)、盤根(4)、軸頭(5)、密封膠圈(6)、連接鋼鍵(7)、機械密封裝置定盤(8)、電機上端蓋扶正軸承(9)、電機上端蓋(10)、機械密封裝置動盤(11)、密封管扶正軸承(12)、電機轉動軸(13)、電機殼體(14)、密封管(15)、軸向承載錐軸承(16)、電機下端蓋(17)、電機下端蓋扶正軸承(18)、法蘭盤連接螺栓(19)、上端法蘭盤(20)、固定壓蓋(21)、三通連接密封膠圈(22)、卡瓦封井器(23)、三通集油管線(24)、法蘭盤連接立柱(26)、下端法蘭盤(27)以及電機的供電單元構成；將由機械密封裝置定盤(8)、電機上端蓋扶正軸承(9)、電機上端蓋(10)、機械密封裝置動盤(11)、密封管扶正軸承(12)、電機轉動軸(13)、電機殼體(14)、密封管(15)、軸向承載錐軸承(16)、電機下端蓋(17)、電機下端蓋扶正軸承(18)等零件構成的單元稱為空心軸電機，在電動機下端蓋(17)內嵌有一個軸向承載錐軸承(16)，電動機轉動軸(13)為空心，在該軸內安裝一根空心密封管(15)，所述密封管(15)與電動機轉動軸(13)之間固定有一套機械密封裝置，分別稱為機械密封裝置定盤(8)和機械密封裝置動盤(11)，機械密封裝置定盤(8)與密封管(15)之間通過頂絲固定，機械密封裝置動盤(11)與電動機空心軸(13)之間通過膠圈密封，機械密封裝置定盤(8)和機械密封裝置動盤(11)形成工作面，實現機械密封，在密封管(15)外與電動機轉動軸(13)的內壁之間固定有一個密封管扶正軸承(12)；所述空心軸電機通過法蘭盤連接螺栓(19)直接固定在螺桿泵井口上端法蘭盤(20)上，螺桿泵抽油桿(1)穿過電動機轉動軸(13)通過扭矩傳遞卡子(2)連接，通過連接鋼鍵(7)直接傳遞電機扭矩，軸頭(5)和抽油桿(1)通過盤根壓蓋(3)、盤根(4)實現靜密封，軸頭(5)和電動機轉動軸(13)通過密封膠圈(6)實現靜密封；所述卡瓦封井器(23)由卡瓦和密封橡膠兩部分組成，固定在三通集油管線(24)的內管中。
2.根據權利要求1所述的一種螺桿泵地面直接驅動裝置，其特征在于所述電機供電單元中在電動機的三相主供電回路上相間并聯一組作星型連接的制動電阻，該制動電阻的投入與停用由主觸點繼電器上的常閉觸點控制。
全文摘要
一種應用于油田舉升技術領域中安裝在地面上直接驅動螺桿泵的裝置。主要解決現有螺桿泵驅動裝置在使用中存在的功率損耗大、轉速調整困難、維護費用高的問題。其特征在于將螺桿泵動力電機轉動軸改為空心軸，通過卡子連接螺桿泵抽油桿直接傳遞動力；井口出油三通油管直接連接空心電機軸里的密封管，密封管和電機空心軸在電機上端蓋處實現機械密封；抽油桿和軸頭采用盤根靜密封；軸頭和空心電機軸采用膠圈靜密封；在電機下端蓋內嵌入軸向承載錐軸承，利用電機上、下端蓋軸承作為徑向扶正軸承；在井口法蘭盤位置安裝卡瓦封井器；在電動機的主供電回路上相間并聯制動電阻。該裝置通過控制電機直接驅動螺桿泵，具有降低能耗、連續(xù)調速的特點。
文檔編號F04B49/00GK1908434SQ200610109278
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月8日 優(yōu)先權日2006年8月8日
發(fā)明者徐國民, 魏顯峰 申請人:大慶油田有限責任公司