ЛИНЕЙНЫЙ ПРИВОД ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА

Область техники
Полезная модель относится к приводам штанговых насосов, предназначенных для поднятия жидкости из глубоких скважин, и может найти применение, например, при обустройстве нефтяных скважин.
Уровень техники
Значительная часть нефти во всем мире добывается посредством штанговых скважинных насосов, возвратно-поступательное движение которых обеспечивается приводом в виде станков-качалок [RU 2544674, RU 2270367]. Привод насоса, выполненный в виде станка-качалки, имеет сложную конструкцию (клиноременная передача, редуктор, кривошипно-шатунный механизм, уравновешивающий балансир), большую металлоемкость и низкий КПД.
В патенте US 8668475 американской компанией UNICO предложен линейный привод штангового скважинного насоса под фирменным наименованием LRP (Linear Rod Pump), который свободен от указанных недостатков станков качалок и выбран в качестве прототипа заявляемой полезной модели.
В устройстве прототипе редуктор через выходной вал передает вращательное движение зубчатому колесу, которое сопряжено с зубчатой рейкой, жестко связанной с штангой насоса. На входном валу редуктора установлен электродвигатель, который питается от преобразователя частоты, обеспечивающего периодический реверс электродвигателя и возвратно-поступательное движение штанги.
Недостатком прототипа является большое число реверсов электродвигателя. Например, для того чтобы насос совершал восемь циклов (двойных ходов) в минуту (типичный случай), электродвигатель должен реверсироваться 960 раз в час. Это приводит к дополнительным потерям электроэнергии, связанным с переходными электромагнитными процессами в электродвигателе при реверсировании, сокращает срок его службы и надежность привода в целом.
Раскрытие полезной модели
Технический результат полезной модели - повышение надежности и срока службы привода, а также увеличение КПД.
Предметом полезной модели является линейный привод скважинного насоса, содержащий редуктор, на выходном валу которого установлено зубчатое колесо, сопряженное с зубчатой рейкой, жестко связанной с штангой насоса, первый электродвигатель, установленный на входном валу редуктора, и преобразователь частоты, отличающийся тем, что введены второй электродвигатель, установленный на входном валу редуктора и коммутатор, через который первый и второй электродвигатели подключены к выходу преобразователя частоты с возможностью их поочередного включения в насосном цикле.
Полезная модель имеет следующие развития, относящиеся к частным случаям ее осуществления:
- первый и второй электродвигатели установлены на противоположных торцевых частях входного вала редуктора;
- преобразователь частоты выполнен с возможностью получения в одном насосном цикле для первого и второго электродвигателей различных динамограмм движения штанги;
- преобразователь частоты выполнен с возможностью регулирования пауз между насосными циклами;
- преобразователь частоты снабжен накопительным конденсатором;
- коммутатор выполнен в виде одного трехфазного переключателя;
- коммутатор выполнен в виде двух трехфазных ключей.
Краткое описание фигур чертежей
На фигуре (чертеже) представлена схема предлагаемого привода.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитой
На фигуре показаны: редуктор 1, на выходном валу 2 которого установлено зубчатое колесо 3, сопряженное с зубчатой рейкой 4, жестко связанной с штангой 5 насоса, первый электродвигатель 6, установленный на входном валу 7 редуктора 1, и преобразователь частоты 8, питающий электродвигатель 6.
На входном валу 7 установлен второй электродвигатель 9, питающийся от преобразователя 8. При этом введен коммутатор 10, через который электродвигатели 6 и 10 подключены к выходу преобразователя 8 с возможностью их поочередного включения в насосном цикле с перемещением зубчатой рейки 4 и штанги 5 вниз и вверх.
Электродвигатели 6 и 9 могут быть установлены на противоположных торцевых частях вала 7.
Коммутатор 10 может быть выполнен в виде одного трехфазного переключателя или двух трехфазных ключей.
В составе преобразователя 8 показаны мостовой выпрямитель 11, сглаживающий фильтр 12 на его выходе, выходной инвертор 13, блок управления 14 и накопительный конденсатор 15. Блок 14 снабжен дополнительным выходом, к которому подключен управляющий вход коммутатора 10.
Заявляемый привод работает следующим образом.
Насосный цикл (рабочий цикл насоса) включает перемещение штанги 5 вниз и вверх. Двигатель 9 обеспечивает движение рейки 4 и жестко связанной с ней штанги 5 вниз, а двигатель 6 - вверх. Коммутатор 10 поочередно подключает двигатели 9 и 6 к преобразователю 8 примерно на половину длительности рабочего цикла.
Установленная мощность электродвигателя 9, обеспечивающего движение штанги 5 вниз, может составлять 30% от установленной мощности электродвигателя 6. Электродвигатель 6 работает в повторно-кратковременном режиме, поэтому его установленная мощность может быть уменьшена по сравнению с установленной мощностью электродвигателя в прототипе. При использовании электродвигателя 6 той же установленной мощности, что и в прототипе, увеличивается срок службы и надежность работы этого электродвигателя и всего привода в целом.
Преобразователь 8, работая под управлением блока 14, обеспечивает получение в одном насосном цикле различных динамограмм, задающих процессы разгона, равномерного движения и замедления для электродвигателя 6 и электродвигателя 9. Каждая из этих динамограмм движения штанги может быть раздельно оптимизирована по критерию наиболее эффективного отбора нефти из скважины.
Поскольку электродвигатели 6 и 9 не реверсируются, а только разгоняются и замедляются, потери энергии, вызванные переходными электромагнитными процессами, уменьшаются по сравнению с прототипом примерно в два раза.
Для сглаживания пиков потребления от питающей сети преобразователь частоты может быть снабжен накопительным конденсатором 15. Конденсатор 15 заряжается в первой части рабочего цикла - при движении штанги 5 вниз, когда работает менее мощный электродвигатель 9 и нагрузка на преобразователь 8 невелика. Во второй части рабочего цикла, при движении штанги 5 вверх, инвертор 13 преобразователя 8 отдает запасенную в конденсаторе 15 энергию более мощному электродвигателю 6.
Производительность штангового насоса регулируется путем изменения длительности пауз между насосными циклами, что обеспечивается преобразователем 8, работающим под управлением блока 14.