直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置設(shè)計（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計說明書）

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到2010年中國的石油需求達到380Mt左右，而國內(nèi)可提供的室友資源量為190Mt左右，因此中國石油對外依存度將增長約50%。專家甚至預(yù)言，由于中國石油產(chǎn)量不可能大幅增長，今后新增的石油需求量幾乎要全部依靠進口，到2020年前后，我國石油進口量有可能超過300Mt，成為世界第一大油品進口國。 但是與此同時也不能不看到，我國的石油供應(yīng)安全不僅會受到與供應(yīng)安全鏈緊密相關(guān)的國家或地區(qū)政治、經(jīng)濟和軍事事態(tài)發(fā)展的影響，而且會受到大國的競爭和擠壓。因此，對石油安全的關(guān)注正在成為影響我國外交政策和戰(zhàn)略方針的重要因素。我國政府正在調(diào)整原油進口的渠道，拓寬其來源，并且有計劃地增加石油儲備?？傊?，我國對中東石油依賴度的增加，是我國的石油安全受到威脅，同時也考驗了我國處理國際事務(wù)的能力。 我國是人口大國，一方面平均擁有石油資源少，另一方面石油采收率不高，由于技術(shù)落后，開發(fā)過程中破壞性開采比較嚴重。我國陸上油田一般采用常規(guī)的地下注水方式開發(fā)，平均采收率只有30%左右，仍有大量的儲量滯留在地下，而對那些低滲透油田、斷塊油田、稠油油田等來說采收率更低些，有的采用電加熱和化學(xué)試劑驅(qū)動等諸多方式來提高采收率，因而提高原油采收率是面臨的關(guān)鍵問題。 石油開采方式有自噴式采油和機械采油，自噴式采油是由于地下含油層壓力較高，憑其自身壓力就可以是原油從井口噴出的采油方式。機械采油則是利用各種類型的泵把原油從井中抽出。目前我國石油開采以機械采油為主。不同的地質(zhì)情況不同的油品性質(zhì)采用不同的機械開采方式。國內(nèi)機械采油裝置主要分有桿泵和無桿泵兩大類。有桿泵地面動力設(shè)備帶動抽油機，并通過抽油機帶動深井泵。無桿泵不借助抽油機來傳遞動力的抽油設(shè)備。目前無桿泵的種類很多，如水力活塞泵、電動潛油離心泵、射流泵、振動泵、螺桿泵等。 圖1 常規(guī)機械采油 螺桿泵采油作為一種新興的人工舉升方式，投資少、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、節(jié)能效果明顯以及適應(yīng)性強等特點，能有效降低采油成本，提高采油效益，具有抽油機柱塞泵、潛油電泵、水力活塞泵等機采方式無法比擬的優(yōu)點而備受國內(nèi)外油田重視。與其他人工舉升方式相比，螺桿泵低投資、低能耗、對介質(zhì)適應(yīng)性強等優(yōu)勢在油田高含水期挖潛增效的作用日益凸顯。 圖2 螺桿泵工作原理圖 以大慶油田為例，“十一五”以來，隨著以螺桿泵為代表的低能耗舉升方式的不斷發(fā)展與完善，大慶油田加大了螺桿泵應(yīng)用力度。一是在產(chǎn)能新井上，共應(yīng)用螺桿泵1611口，占投產(chǎn)新井總數(shù)的15.5%；二是結(jié)合舉升方式調(diào)整轉(zhuǎn)換，實施抽油機、電泵轉(zhuǎn)螺桿泵1080口。螺桿泵井?dāng)?shù)由2005年的2001口增加到2009年5714口，占機采井?dāng)?shù)比例有5.0%提高到9.5%。年耗電量約占采油生產(chǎn)耗電的十分之一，已逐漸成為油田主要耗能設(shè)備。 為貫徹國家節(jié)能減排的目標(biāo)，降低機采井能耗已勢在必行。在能源供應(yīng)緊張、節(jié)能減排形式十分嚴峻的今天，開發(fā)應(yīng)用機采系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)不但有可觀的經(jīng)濟效益，還有這重大的社會效益。 驅(qū)動技術(shù)伴隨著開發(fā)技術(shù)的進步得到了快速發(fā)展，經(jīng)歷了從游梁式抽油機、電潛泵抽油機、螺桿泵抽油機等幾種不同的采油設(shè)備。采油系統(tǒng)使用過的采油設(shè)備種類繁多，根據(jù)采油方式的不同，主要有以下幾種：游梁式抽油機，電潛泵抽油機、螺桿泵抽油機、高原機。螺桿泵用于原油開采近二十年，按照驅(qū)動方式分為潛油電動螺桿泵和地面驅(qū)動井下螺桿泵抽油機。螺桿泵地面驅(qū)動裝置根據(jù)其驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)不同又分為螺桿泵直接驅(qū)動方式和螺桿泵測驅(qū)方式（傳統(tǒng)式螺桿泵驅(qū)動方式）。目前油井上普遍使用常規(guī)電驅(qū)動螺桿泵地面驅(qū)動裝置采用異步電機作為原動機,通過皮帶輪和錐齒輪減速機構(gòu)減速后驅(qū)動抽油桿柱。這種驅(qū)動裝置雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、機械效率高、占地面積小等優(yōu)勢,但在實際使用中仍存在一些問題, 如中間減速機構(gòu)機械損失較高 ,最大可達15%；電機偏置使驅(qū)動裝置重心偏離井口軸線,致使光桿偏磨、盤根盒密封泄漏量大；系統(tǒng)零部件多, 維護困難等。使用低速大扭矩電機直接驅(qū)動抽油桿柱,可解決這些問題。研發(fā)的直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置用永磁同步電機作為低速電機,采用交流變頻調(diào)速方式,利用永磁電機反轉(zhuǎn)即發(fā)電機原理和能耗電阻消耗掉系統(tǒng)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能,實現(xiàn)低速大扭矩電機直接驅(qū)動抽油桿柱。 國內(nèi)已有直驅(qū)裝置采用永磁同步電機。永磁同步電機分為永磁無刷直流電機和永磁交流同步電機2種。永磁無刷直流電機特性類似于常規(guī)的直流電機,機械特性曲線為斜線 ,隨著轉(zhuǎn)速的增加輸出扭矩減小,采用專用的方波控制器控制電機轉(zhuǎn)速。優(yōu)點是電機調(diào)速方便, 控制器結(jié)構(gòu)簡單；缺點是功率不易做大 ,低速運轉(zhuǎn)磁場有脈動。永磁交流同步電動機特性類似于常規(guī)的異步變頻電機,機械特性曲線為直線,在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能保持恒扭矩輸出,采用專用的變頻器進行控制。優(yōu)點是電機結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)成熟可靠,電機頻率與速度同步；缺點是控制器成本較高。 綜合考慮以上因素,直驅(qū)裝置電機采用永磁交流同步電機。為提高系統(tǒng)可靠性, 電機與裝置的其他部分相對獨立,并針對油田現(xiàn)場提出了防爆要求。 參考文獻： [1]楊野. 大慶油田機械采油節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀及展望. 油氣田地面工程. 2007. 15（9）1~7 [2]陳曉軍. ZLBQ55型直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置設(shè)計. 石油礦場機械. 2010.23（4）2~5 [3]黃有泉等. 大慶油田螺桿泵采油技術(shù)新進展. 石油機械. 2003.08(11)1~2 [4]張霞等. 螺桿泵采油工藝技術(shù)現(xiàn)狀. 油氣田地面工程. 2007.11（9）3~4 [5]于爽等. 直驅(qū)式螺桿泵在陸上作業(yè)區(qū)的應(yīng)用. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量. 2015.2(5)2~5 [6]韓玉秀. 新型直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用. 工業(yè)技術(shù). 2008.32（35）2~4  三、研究內(nèi)容 1． 學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路；主要研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題（或技術(shù)） 針對背景技術(shù)中存在的問題，需要解決皮帶輪和減速器傳動造成的功率損失和效率低下的問題，同時使結(jié)構(gòu)更加簡潔，使其在后期的使用中維護方便。該驅(qū)動裝置的動力電機可直接驅(qū)動螺桿泵抽油桿運轉(zhuǎn)。 必須解決的三個技術(shù)問題： (1)選擇合適的速度可以任意調(diào)節(jié)的電動機； (2)如何做好整套裝置的密封工作； (3)裝置會受到抽油桿柱的沖擊，如何承載載荷。 2． 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實施方案及可行性分析 研究方法： （一）文獻研究法：通過查閱文獻，了解國內(nèi)過螺桿泵驅(qū)動技術(shù)的研究和應(yīng)用，學(xué)習(xí)相關(guān)裝置、機構(gòu)的使用。 （二）探索性研究法：通過學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進的技術(shù)，發(fā)現(xiàn)已有技術(shù)的缺陷進行補足，進而完善自己的設(shè)計方案。 （三）數(shù)學(xué)方法：通過假設(shè)的工作情景，設(shè)定相關(guān)要求，通過數(shù)學(xué)計算確定機構(gòu)的各項數(shù)據(jù)，計算出所需要的功率等。 技術(shù)路線： 頂部機械密封 密封裝置 直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動裝置 底部卡瓦封井裝置辦 置 電壓電流保護，扭矩控制 永磁驅(qū)動電機 電機軟啟動、軟剎車 驅(qū)動裝置 無級變速調(diào)速 軸向承載軸承 承載裝置 圖3 技術(shù)路線 實施方案： 針對研究內(nèi)容中的三個主要的技術(shù)問題，查閱相關(guān)文獻，對這三個問題一一進行解決： （1） 為了達到轉(zhuǎn)速可以任意調(diào)整、功率損失小、維護費用低的要求，綜合比較各驅(qū)動電機，認為永磁同步驅(qū)動電機比較符合要求。永磁同步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點，主要用于要求響應(yīng)快速、調(diào)速范圍寬、定位準(zhǔn)確的高性能伺服傳動系統(tǒng)和直流電機的更新替代電機。永磁同步電動機的組成部分：定子、永久磁鋼轉(zhuǎn)子、位置傳感器、電子換向開關(guān)等，電機軸采用過的是空心階梯軸，空心電機軸內(nèi)套有密封中心管，該中心管的外徑呈階梯狀，工作時，抽油機穿過該密封中心管，這樣還解決了驅(qū)動裝置的密封問題。 （2） 因為需要密封的部件在工作狀態(tài)時處于往復(fù)運動中，所以對密封提出了進一步的要求：能夠動態(tài)密封，所以選擇機械密封。機械密封是靠一對或數(shù)對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構(gòu)的彈力(或磁力)作用下保持貼合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置。常用機械密封結(jié)構(gòu)由靜止環(huán)(靜環(huán))、旋轉(zhuǎn)環(huán)(動環(huán))、彈性元件、彈簧座、緊定螺釘、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈、和靜止環(huán)輔助密封圈等元件組成，防轉(zhuǎn)銷固定在壓蓋上以防止靜止環(huán)轉(zhuǎn)動。由于傳動軸貫穿在設(shè)備內(nèi)外，這樣，軸與設(shè)備之間存在一個圓周間隙，設(shè)備中的介質(zhì)通過該間隙向外泄漏，如果設(shè)備內(nèi)壓力低于大氣壓，則空氣向設(shè)備內(nèi)泄漏，機械密封可以很好的進行密封。 （3） 在驅(qū)動電機底部安裝軸向承載軸承，及潤滑軸向承載軸承的潤滑池。承載軸承通過空心電機軸承載全井桿柱重量，軸密封圈和潤滑池保證承載軸承的潤滑。 圖4 直驅(qū)式螺桿泵結(jié)構(gòu)簡圖 可行性分析： 通過查閱大量文獻，了解到國內(nèi)外對螺桿泵的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，對螺桿泵的改進方案也很多，各項技術(shù)已經(jīng)很成熟。針對螺桿泵驅(qū)動裝置的改進方案也有很多，甚至已經(jīng)投入使用，各項數(shù)據(jù)很可靠很全面。在大量的技術(shù)支持以及指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，該方案有很高的可行性。 四、論文（設(shè)計）進度安排 起止時間 主要內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 2015年 3月8日—22日 檢索相關(guān)研究資料，學(xué)習(xí)相關(guān)書籍。 選定原理方案，論證方案的可行性，撰寫開題報告和PPT文檔，根據(jù)開題情況，調(diào)整確定原理方案。 了解國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向。 初步確定研究內(nèi)容以及原理方案，完成開題報告。 2015年 3月23日—4月15日 根據(jù)應(yīng)用情景給定使用數(shù)據(jù)，通過計算確定相關(guān)零件或者機構(gòu)的具體材料和尺寸；根據(jù)設(shè)計和制造的方便性選用適合的標(biāo)準(zhǔn)間，并給出具體要求。 此過程中會按照學(xué)校的規(guī)定完成自己的畢業(yè)實習(xí)，并且在實習(xí)過程中重點注意是否有與自己設(shè)計內(nèi)容相關(guān)的企業(yè)，如果有的話可以對此企業(yè)深入了解，實地考察相關(guān)技術(shù)在此領(lǐng)域的實際應(yīng)用情況或者企業(yè)對此技術(shù)的了解程度，以便于自己的設(shè)計方案能夠更加完善，更加貼近實際的生產(chǎn)使用。 完成零件圖以及裝配草圖的繪制。 2015年 4月16日—5月15日 進一步完善自己的方案，針對方案中存在的問題進行改進，弄清與自己設(shè)計的產(chǎn)品相關(guān)行業(yè)、產(chǎn)品或者技術(shù)有關(guān)知識。跟導(dǎo)師請教自己的方案以及設(shè)計出來的產(chǎn)品是否適應(yīng)市場需求，制作成本是否合適。 完成裝配圖的繪制，完成畢業(yè)論文的初稿。 2015年 5月15日—5月20日 修改和完善畢業(yè)論文，整體回顧自己的設(shè)計過程和設(shè)計思路，將自己的設(shè)計方案重新整理清晰，針對一些有疑問的地方自己查閱文獻或者向?qū)熣埥?。制作答辯PPT文檔，參加答辯。 完成畢業(yè)論文以及最終答辯 五、審核意見 導(dǎo)師意見 導(dǎo)師簽字: 年 月 日 審核小組意見 審核小組成員簽字： 年 月 日 注：1、表格不夠可加附頁。 2、審核小組應(yīng)至少由三位具有高級職稱的教師組成；必要時可召集開題報告會。 11