【毕业设计】直驱式螺杆泵驱动装置设计开题报告.doc

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1、中国海洋大学本科毕业设计完整设计图纸，源代码，程序代码，毕业论文，外文翻译，任务书，开题报告，答辩PPT,需要请联系QQ68661508开题报告题 目直驱式螺杆泵驱动装置设计院、 系 工程学院机电工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2011级 学生姓名 林旭洋 学 号 080242011020 指导教师 谭俊哲 教务处制表 2015 年 4 月 2 日一、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

2、、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

3、、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

4、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

5、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

6、下对驱动系统的要求，实现电机直接驱动光杆，无需其他传动机构；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。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

7、到人们日常生活中。到2010年中国的石油需求达到380Mt左右，而国内可提供的室友资源量为190Mt左右，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300Mt，成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，

8、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

9、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

10、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15.5%；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5.0%提高到9.5%。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

11、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。

12、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

13、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）1

14、72陈晓军. ZLBQ55型直驱式螺杆泵驱动装置设计. 石油矿场机械. 2010.23（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. 2003.08(11)124张霞等. 螺杆泵采油工艺技术现状. 油气田地面工程. 2007.11（9）345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. 2015.2(5)256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. 2008.32（35）24三、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

15、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，

16、计算出所需要的功率等。 技术路线： 顶部机械密封密封装置直驱式螺杆泵驱动装置 底部卡瓦封井装置办置电压电流保护，扭矩控制 永磁驱动电机 电机软启动、软刹车驱动装置 无级变速调速 轴向承载轴承承载装置 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，查阅相关文献，对这三个问题一一进行解决： （1） 为了达到转速可以任意调整、功率损失小、维护费用低的要求，综合比较各驱动电机，认为永磁同步驱动电机比较符合要求。永磁同步电动机具有结构简单，体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，主要用于要求响应快速、调速范围宽、定位准确的高性能伺服传动系统和直流电机的更新替代电机。永磁同步电

17、动机的组成部分：定子、永久磁钢转子、位置传感器、电子换向开关等，电机轴采用过的是空心阶梯轴，空心电机轴内套有密封中心管，该中心管的外径呈阶梯状，工作时，抽油机穿过该密封中心管，这样还解决了驱动装置的密封问题。 （2） 因为需要密封的部件在工作状态时处于往复运动中，所以对密封提出了进一步的要求：能够动态密封，所以选择机械密封。机械密封是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力(或磁力)作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。常用机械密封结构由静止环(静环)、旋转环(动环)、弹性元件、弹簧座、紧定螺钉、旋转环辅助密封圈、和静止环辅助密封圈等元件组成，防转销固定在压盖

18、上以防止静止环转动。由于传动轴贯穿在设备内外，这样，轴与设备之间存在一个圆周间隙，设备中的介质通过该间隙向外泄漏，如果设备内压力低于大气压，则空气向设备内泄漏，机械密封可以很好的进行密封。 （3） 在驱动电机底部安装轴向承载轴承，及润滑轴向承载轴承的润滑池。承载轴承通过空心电机轴承载全井杆柱重量，轴密封圈和润滑池保证承载轴承的润滑。 图4 直驱式螺杆泵结构简图 可行性分析： 通过查阅大量文献，了解到国内外对螺杆泵的应用已经非常广泛，对螺杆泵的改进方案也很多，各项技术已经很成熟。针对螺杆泵驱动装置的改进方案也有很多，甚至已经投入使用，各项数据很可靠很全面。在大量的技术支持以及指导老师的指导下，该

19、方案有很高的可行性。四、论文（设计）进度安排起止时间主要内容预期目标2015年3月8日22日 检索相关研究资料，学习相关书籍。 选定原理方案，论证方案的可行性，撰写开题报告和PPT文档，根据开题情况，调整确定原理方案。 了解国内外相关技术发展现状及未来的发展方向。 初步确定研究内容以及原理方案，完成开题报告。2015年3月23日4月15日根据应用情景给定使用数据，通过计算确定相关零件或者机构的具体材料和尺寸；根据设计和制造的方便性选用适合的标准间，并给出具体要求。此过程中会按照学校的规定完成自己的毕业实习，并且在实习过程中重点注意是否有与自己设计内容相关的企业，如果有的话可以对此企业深入了解，

20、实地考察相关技术在此领域的实际应用情况或者企业对此技术的了解程度，以便于自己的设计方案能够更加完善，更加贴近实际的生产使用。完成零件图以及装配草图的绘制。2015年4月16日5月15日 进一步完善自己的方案，针对方案中存在的问题进行改进，弄清与自己设计的产品相关行业、产品或者技术有关知识。跟导师请教自己的方案以及设计出来的产品是否适应市场需求，制作成本是否合适。 完成装配图的绘制，完成毕业论文的初稿。2015年5月15日5月20日 修改和完善毕业论文，整体回顾自己的设计过程和设计思路，将自己的设计方案重新整理清晰，针对一些有疑问的地方自己查阅文献或者向导师请教。制作答辩PPT文档，参加答辩。 完成毕业论文以及最终答辩五、审核意见导师意见 导师签字: 年 月 日审核小组意见审核小组成员签字： 年 月 日注：1、表格不够可加附页。2、审核小组应至少由三位具有高级职称的教师组成；必要时可召集开题报告会。11