潜油电泵结构及工作原理

渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 潜油电泵结构及工作原理 2009年5月 渤海石油装备中成机械制造公司 目 录 第一章、潜油电泵发展概况 第二章、潜油电泵系统组成 第三章、机组各部件的作用 第四章、潜油电泵各部件工作原理 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 第一章、潜油电泵发展概况 潜油电泵全称电动潜油离心泵,简称电泵。 1923年俄罗人A S艾鲁托诺夫在世界上首先提出潜油 电泵的新概念，并在洛杉机制造出美国第一台潜油电泵。 1940年苏联国家石油机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 院深水电机局石油工 业组研制了苏联第一台潜油电泵。开始广泛应用于油田。 1953年中国石油部曾在玉门油田对潜油电泵进行研 究和试验。 1989年中成机械公司正式引进美国CT公司的潜油电 泵制造技术，有力地促进了中国电潜泵制造技术和生产 的发展。 渤海石油装备中成机械制造公司 潜油电泵制造水平 目前世界的潜油电泵制造商主要集中在美国、中国 和俄罗斯三国。世界上其它产油国特别是第三世界产油国 的潜油电泵均来源于上述三国。综合评价潜油电泵技术含 量、水平、制造工艺水平、产品适用性、产品可靠性等指 标，美国的2~3家厂商无论是过去还是现在一直居于首位 ，由于苏联是世界第一原有输出大国，潜油电泵举升井液 是原油开采的主要设备，因此其制造生产电泵机组，主要 用于本国，因此外界对其产品了解不够。 渤海石油装备中成机械制造公司 第二章、潜油电泵系统组成 潜油电泵主要由两大部分组成井上部分和井下部分。 （一）井上部分 （二）井下部分 1）井口 1） 潜油电泵 7） 井下传感器 2）接线盒 2） 分离器 3）控制柜 3） 保护器 4）变频器 4） 潜油电机 5）变压器 5） 引接电缆 6） 潜油电缆 渤海石油装备中成机械制造公司 1.套管 11.接线盒 2.导向器 12.控制柜 3.电机 13.变压器 4.引线电缆 14.井口 5.保护器 15.泄流阀 6.分离器 16.单向阀 7.泵 17.动力电缆 8.电缆卡子 9.泵头 10.油管 渤海石油装备中成机械制造公司 潜油离心泵 1.上泵头装配 2.叶轮 3.导壳 4.泵壳 5.泵轴 6.下泵头装配 渤海石油装备中成机械制造公司 分离器 1.上接头 2.油气分离头 3.分离轮 4.壳体 5.轴 6.吸入口 7.下接头 渤海石油装备中成机械制造公司 保护器 (沉降式) 1.保护器头 2.放气阀 3.机壳 4.机械密封 5.轴 渤海石油装备中成机械制造公司 保护器 (胶囊式) 1.保护器头 2.密封圈 3.外壳 4.胶囊 5.机械密封 6.轴 7.止推轴承 8.底座 渤海石油装备中成机械制造公司 保护器 (组合式) 1. 保护器头 2. 胶囊 3.轴 4.机械密封(碳化硅) 5.外壳 渤海石油装备中成机械制造公司 潜油电机 1.电机头 2.转子铁芯 3.定子铁芯 4.转子轴承 5.电机壳 6.轴 7.底座 渤海石油装备中成机械制造公司 第三章、机组各部件的作用 一、潜油泵 潜油泵是潜油电泵机组中的工作机，井下液体是被潜油泵抽送到地 面的。原理与地面使用的普通离心泵一样。 潜油泵由多级叶轮、导壳组成，叶轮、导壳的结构形式决定潜油泵 的排量，叶轮、导壳的级数决定潜油泵的扬程和匹配潜油电机功率。 二、分离器 对于含气井而言，井液在进入潜油泵之前，要先通过油气分离器进 行气、液分离，以减少气体对潜油泵工作性能的影响。目前，分离器的 基本结构形式油两种，一种是旋转式分离器，另一种是沉降式分离器。 潜油电泵机组在工作中，气、液混合液进入分离器并被分离后，气体进 入套管与油管的环形空间。液体引入潜油泵中。 渤海石油装备中成机械制造公司 三、保护器 保护器主要是保护潜油电机的，最终目的是阻止井液进入潜油电机，避免烧 毁潜油电机。保护器在潜油点泵机组中主要有以下四个作用： （1）密封潜油电机轴的动力输出端，防止井液进入潜油电机。 （2）保护器的充油腔体与油井相连通，从而平衡潜油电机和保护器中各密封部位两 端的压差。当潜油电机因温度升高而使润滑油体积膨胀时，润滑油可通过保护器 溢出;当潜油电机因停机温度下降时，保护器可向潜油电机补充润滑油。 （3）内设一个推力轴承，承担作用在泵轴、分离器轴和保护器轴传递下来的轴向力 。 （4）连接潜油电机轴与泵轴（或分离器轴），连接潜油电机壳体与潜油泵壳体（或 分离器壳体）。 四、潜油电机 在潜油电泵机组中使用的电机为二级三相鼠笼式异步电动机。是潜油电泵机 组的动力源。根据油井产量、扬程、温度、井液粘度及不同规格的套管，可选用 不同功率、直径的潜油电机。潜油电机工作电压一般为400~2500V，电流为 30~120A。电机功率与电机长度成正比，单节电机长度最长不大于10m。电机可 以串联使用，串联方式采用内插式结构，轴联接采用花键联接。 渤海石油装备中成机械制造公司 五、控制柜 潜油电泵的启动和停机，以及运行中的一系列控制，需要专门的 控 制设备来完成。潜油电泵专用控制柜分为手动、自动两种控制方式。控制 柜具有短路保护、单相保护、三相过流保护和欠载停机、延时自动启动功 能。通过仪表可随时测量电机运行电压、电流参数，并自动记录电机运行 电流，从而使电泵管理人员及时掌握和判断潜油电机的运行情况。 六、变压器 变压器是利用电磁感应原理进行工作的。变压器原边、副边电压之 比决定于原、副线圈匝数之比，只要改变原、副线圈的匝数，便可达到改 变电压的目的。把一种电压的交流电能转变为频率相同的另一种电压的交 流电能。潜油电泵机组中的变压器就是将电网电压转变为潜油电机所需要 的电压。 渤海石油装备中成机械制造公司 七、接线盒 接线盒的作用是连接控制柜到井口之间的潜油电泵动力电缆 ，防止油井中易燃气体通过电缆进入控制柜，发生火灾或爆炸。 接线盒距井口的距离不小于3m，高度不低于0.5m。接线盒到控制 柜的电缆应埋于地下0.2m以下。 八、井口 潜油电泵井口是一个偏心并带有电缆密封装置的特殊油管柱 ，既可以密封动力电缆出口，又可以承受全井管柱及电泵机组的 重力。 九、电缆 潜油电泵动力电缆是一种特殊绝缘材料密封、外加钢带铠装 的潜油动力电缆，其主要功能是将地面电能输送给井下的潜油电 机。 渤海石油装备中成机械制造公司 十、电缆头 电缆头由于受井径尺寸的限制,因而必须特制。它应具有很高的介 电强度和良好的密封性能。 十一、其他辅助设施 (1)电缆滚筒支架：用作潜油动力电缆的支撑及起下电泵时收放电缆。 (2)变径短节：为适应泵出口接头与各种油管螺纹的连接，配有各种不同 规格的变径短节。 (3)单流阀：用于防止停泵时，油管内的液体回流，引起机组反转，同时 减轻电泵的启动负荷，以防启动时损坏机组。 (4)泄油阀（或测压阀）：在作业中将机组从油井中起出时，由于単流阀 的作用，油管中的液体排不出去，需要把泄油阀芯砸断，使油管同套 管的环形空间相通，使液体流入套管内，以便施工作业。 泄油阀还可以测井中的流压与静压。 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 潜油电机 1、潜油电机结构组成 1.1定子系统: 主要由定子铁芯、定子绕组及壳体组成。 a.定子铁芯：由优质性能的硅钢片冲成定子冲片叠压而成。其主要作用 是导磁和嵌入绕组。 b.定子绕组：由F46薄膜绕包铜线制成的三相绕组在定子空间为120°分 布。其作用是通过三相交流电流产生旋转磁场，耐温达180℃以上。 c.壳体：由优质碳素结构钢制成，有足够的强度起结构支撑和连接作用。 第四章、潜油电泵各部件工作原理 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 1.2转子系统： 主要由转子、轴、扶正轴承等组成。 a.转子：由优质性能的硅钢片冲成转子冲片叠压而成。转子槽中穿有铜导条， 转子两端用铜端环与导条铆压或焊牢。其作用是导磁并产生电磁转矩输出机械功 率带动电泵旋转。 b.电机轴：转子转轴式一根细长的空心轴，其作用是用来连接和固定各转子 节、扶正轴承。在转轴上，按一定距离间隔地开有许多径向油孔，其作用是通过 中心孔、油孔来润滑扶正轴承内外套并润滑油的流道。 c.扶正轴承：防止细长转子运转与定子相擦起扶正作用。主要由转子铜套和 轴承构成滑动轴承，每两个相邻的转子之间安放一个。转子之间有均匀的气隙， 提高潜油电机运行的可靠性。 1.3接头 电机定子的两端安装各种接头，如电机头、上接头、下接头等。它们的作用 一般是容安装止推轴承、扶正电机轴、引出和保护电机引线、密封电机以及上 下节连接等作用。 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 2.潜油电机结构特点: ⑴外形尺寸细长，电机外径与其长度比(细长比) 最大可达1:100左右。 外部直径及适应井径 ⑵定转子铁芯分段组成:每相邻两个转子间放置一套扶正轴承。 ⑶潜油电机的保护器。 ⑷采用具有特殊的内腔油循环系统。 3.潜油电机工作原理: 潜油电机属三相交流鼠笼异步电机，其工作原理为:当定子三相绕组 接通三相交流电源时，在电机定子内部产生一个转速为60f/P的旋转磁场， 其转向取决于电流相序。由于此旋转磁场切割转子导条，根据电磁感应定 律，在闭合的转子回路中将产生感应电流；又由于电动机法则此感应电流 在旋转磁场中又将受到力的作用，从而产生了电磁转矩使转子沿着旋转磁 场的方向带动负载做异步转动。 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 保护器 按结构分为 沉降式保护器 组合式保护器 串接的复合型保护器 胶囊式保护器 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 1.沉降式保护器 1.1结构组成： 沉降式保护器由保护器头、轴、机械密 封、密封座、壳体、止推轴承、底座、护轴 管、沉降管和呼吸管等主要部件组成。它设 有两道机械密封,两个沉降室使电机内腔与 井液完全隔离, 有较高的可靠性。 渤海石油装备中成机械制造公司 1.2工作原理： 保护器安装在分离器和电机之间。保 护器通过沉降管与井液连通,由于每个沉降 室的上方均有一道机械密封，所以保证进入 到沉降室的井液能处在沉降室的下方。不能 通过沉降室上方的连通孔流入下级沉降室和 电机中，保证了电机内部电机油的清洁度和 绝缘性能，同时提供了电机油受热膨胀的路 径和容腔，既保证了密封又使机组内外压力 平衡。设置在下沉降室上方的止推轴承装置 用来承受泵及保护器的轴向力 。 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 2.胶囊式保护器的结构特征及工 作原理： 2.1 结构特征： 胶囊式保护器：由保护器头、轴、 座、密封座、壳体、胶囊支架环、胶囊、 溢流阀、护轴管、止推轴承和联接座等 组成，它为预注油式结构，胶囊使电机 内腔与井液完全隔离，可靠性高，适用 于斜井、水平井。 渤海石油装备中成机械制造公司 2.2 工作原理： 胶囊式保护器安装于分离器与电机之间， 保护器的止推轴承可以承受泵的轴向压力，保护 器的胶囊在电机油和井液之间形成了有弹性的隔 离层。由于它的调节作用,使得电机在运行和停 机时，电机油的热胀冷缩不会导致井液进入电机 内腔，保护了电机绝缘。 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 3.复合式保护器的结构特征及工作原理： 3.1结构特征： 这种新型保护器是集国内外各家之所长，采用了最佳保护结构，即： 将胶囊式保护器和沉降式保护器分别设计成标准节的形式，便于互换及 组合，整体结构为“积木式” 。 3.2工作原理： 因复合式保护器是由沉降式标准元及胶囊式标准单元组合为一体， 所以沉降式标准单元与沉降式保护器相同，胶囊式标准单元与胶囊式保 护器相同。当第一个单元保护器失效第二个单元继续工作。为此可靠性 高，适应性广。 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 4.保护器的密封： 旋转轴的密封 采用机械密封,机械密封的结构、原理、材料及精 密度联接 螺纹的密封 采用“O”形橡胶密封圈，密封圈的材料、压缩量、 及配合面的精度。 螺塞及阀体的密封 利用铅的延展性及填充性采用铅垫密封。 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 油气分离器 1、分离器的分类 按气体从混合液分离的方式及结构的不同，可把分离 器分为三种类型：沉降式气液分离器、旋转式气液分离 器、涡流式气液分离器。 按分离能力可把分离器分为：单级分离器、双级分离 器. 1.1沉降式分离器结构 潜油电泵用沉降式分离器主要由上接头、外壳、 扶正器、传动轴、流体导向片、内腔进液孔、叶轮、 隔离套、花键套、下接头等组成。 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 1.2旋转式分离器结构 电泵用沉降式分离器主要由上接头、交叉导轮组成、分 离转子、轴、导流轮、叶轮、外壳、诱导轮、花键套、下接 头等组成。 旋转式分离器的结构比沉降式分离器的结构复杂，他利 用气液两相的密度不同，通过使气、液两相高速旋转产生不 同的离心力而使气液两相分离。 2 .工作原理 无论是沉降式气液分离器，还是旋转式及涡流式气液分 离器，它们都是利用气体和液体密度不同使气液两相产生的 重力大小不同的原理，增加气泡的轴向向上速度，降低气泡 径向向心速度来进行气液分离的。轻的气体沿轴向向上进入 油套环形空间，重的液体则通过重力的作用沿流道进入多级 离心泵的入口 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 潜油离心泵 1.潜油离心泵组成 潜油离心泵主要由两大部分组成，即转动部分和固定部 分。其主要潜油泵的主要零部件：叶轮、导壳、泵轴、泵壳、 上泵头、下泵头、轴承支座组成。按不同结构分为：全浮式、 半浮式、全压式三种。 渤海石油装备中成机械制造公司 2.潜油离心泵的轴向力 壳体 轴 P1=P0+ΔP 导壳 流道 P0 减磨垫 叶轮 潜油离心泵在举升井液的同时会产 生一个向下的轴向力,潜油离心泵剩余轴 向力的卸荷方式主要有以下几种类型： 半浮式泵叶轮水力不平衡力通过各 级导壳卸荷； 全浮式泵剩余轴向力将通过泵轴、 分离器轴、上保护器轴传递到保护器止 推轴承上卸荷 ； 半浮式泵剩余轴向力通过40%导壳 卸荷； 全固定式泵，其轴向力（包括叶轮 水力不平衡力）全部通过保护器止推轴 承卸荷。 渤海石油装备中成机械制造公司 多级离心泵的基本工作理论 离心泵实际输出的功率（单位：KW）为： 310gQHN   Q——离心泵的实 际平均流量，m3/s， 可以实际测量； H——离心泵的实 际输出压头，或有效 压头，m液柱，可以 实际测量； ρ——被输送液体 的密度，Kg/m3 渤海石油装备中成机械制造公司 渤海石油装备中成机械制造公司 3. 潜油离心泵主要性能参数 3.1 流量： 　 泵的流量是指泵在单位时间内所抽送的液体的体积，用Q表示， 其单位为m3/d。 3.2 扬程(H)： 　 泵的扬程是指单位重量的液体流过泵后其能量的增值，用H表示， 其单位为m。 3.3 转速： 　 泵的转速是指单位时间内泵叶轮的回转数，用n表示，其单位为 r/min。 3.4 功率： 　 泵的功率是指泵的输入功率，即电机传递给泵的功率,以Ne表示， 其单位为kW。 3.5效率： 泵的效率是输出功率与输入功率之比，以η表示。 渤海石油装备中成机械制造公司 潜油离心泵特性曲线潜油离心泵特性曲线 最佳工作范围 渤海石油装备中成机械制造公司 潜油离心泵特性曲线潜油离心泵特性曲线 渤海石油装备中成机械制造公司 小扁电缆 电缆接头是制作在引接电缆上 与潜油电机相连的一种专用密封接 头，它的耐腐蚀性优越，很适合小 扁电缆恶劣的野外工作条件。它主 要由壳体、密封压套、绝缘垫块、 三相插头、纵向密封胶带和尾部浇 注密封段等构成 。 常见的小扁电缆接头结构型式 有两种，即缠绕式和插接式。插接 式连接比较方便，但其可靠性不如 缠绕式。插接式一般用于高寒地区 和较困难环境的地区作业。 渤海石油装备中成机械制造公司 潜油电泵变压器 1.原理及功能： 根据电磁感应原理，将三相交流电源变成 适合于电泵需要的电压。 2.结构及特点： 2.1结构： 变压器主要由线圈、铁心、副边分接开关及结构件 组成。变 压器种类按冷却方式分有油浸式和干式；按 电压分有升压变压器和降压变压器。干式变压器体积小 ，适用于海上采油平台。 2.2 特点： a.副边采用7档无载分接开关，可以提供7个不同电压，一般间隔为 50V，以适应电源电压的变化和电泵不同下井深度的需要； b.为适应带有井下压力和温度检测装置的要求，一般变压器中性点 不接地； 渤海石油装备中成机械制造公司 3.变压器性能指标 （1） 变压比：K=U1/U2=I2/I1， 允许偏差±5%； （2） 直流电阻不平衡率： （最大-最小）/平均＜2% （线电压） （3）绕组对地绝缘电阻≥1000MΩ (高压测量采用2500V级兆欧表) 4. 变压器容量计算 P=√3UI/1000kVA 渤海石油装备中成机械制造公司 潜油电泵控制柜 1、功能： 潜油电泵控制柜是用来控制潜油电泵的启动和停机，并对电泵的 过载、欠载、短路等故障综合保护，以及进行欠载延时自启动和运行参 数显示及自动记录的专用设备。 2、组成及工作原理： 2.1组成： 控制柜外壳由钢板焊接而成，高低压分离以保证人 身安全。控制柜具有手动和自动两种启动方式，内部由 主回路和控制回路组成。主回路由隔离开关、熔断器、 接触器构成；控制回路由控制变压器、电压互感器、电 流互感器、电流记录仪 及综合保护器组成。 渤海石油装备中成机械制造公司 2.2工作原理 （1）使用“手动方式”启动时，将转换开关转到“ 手动”位置，按下启动按钮，电机保护器输出信号使接 触器线圈通电，接触器吸合，电机启动。 （2）电泵运行时，电机综合保护器通过检测电流 互感器的二次侧测得的主回路电流信号，实现电机的 过载、欠载、电流不平衡等故障保护；检测电压感器 的二次侧测得的主回路电压号，实现电机的过压、欠 压、电压平衡等故障保护。故障停机时有故障指示灯 显示。 （3）在“自动方式”启动时，把转换开关转到：“自 动”位置，经自动延时后，电机保护器发出指令自启动 电机。自启动还有欠载延时自启动功能。 渤海石油装备中成机械制造公司 3、电机保护器主要功能 a.显示功能：三相电压、三相电流、电压不平衡度、电流不平衡 度、相序、功率因数、自启动计时等； b.保护功能；过载、欠载、电压不平衡、电流不平衡、过压、欠 压、短路等； c.故障显示：过载、欠载、电压不平衡、电流不平衡、过压、欠 压、短路； d.故障查询功能：可查询前8次故障跳闸原因； e. 启动保护功能 渤海石油装备中成机械制造公司 变频控制柜 变速泵工艺技术：变速泵工艺技术： 变频控制柜与普通的潜油电泵机组相配套，变频控制柜与普通的潜油电泵机组相配套， 就可以构成一套变速泵系统。变速泵的优点在就可以构成一套变速泵系统。变速泵的优点在 于：于：  扩大了潜油电泵的应用范围，提高其适扩大了潜油电泵的应用范围，提高其适 应性。应性。  使潜油电泵在最佳工况条件下运行，改使潜油电泵在最佳工况条件下运行，改 善启动性能，减少机组磨损和电器绝缘老化，善启动性能，减少机组磨损和电器绝缘老化， 提高了其使用寿命。提高了其使用寿命。 由于变速泵的转速与变频器的工作频率成变速泵的转速与变频器的工作频率成 正比，调整变频控制柜的工作频率就可以改变正比，调整变频控制柜的工作频率就可以改变 潜油电泵的运行特性，以适应油井参数的变化，潜油电泵的运行特性，以适应油井参数的变化， 改善潜油电泵工作条件。改善潜油电泵工作条件。 渤海石油装备中成机械制造公司 接线盒 1、功能 （1）连接控制柜至井口的动力电缆； （2）排除电缆中的气体，起放空作用。 2、技术数据 （1） 额定电压：3kV （2） 额定电流：65、80、100、150A （3） 环境温度：-20~50℃ 渤海石油装备中成机械制造公司