48V直流驱动电机液压泵在井下应用的设计与优化

48V直流驱动电机液压泵在井下应用的设计与优化

吕石磊

盘锦辽河油田天意石油装备有限公司

摘要：本文针对目前石油开采中普遍使用的潜油电泵在深井应用中存在的供电距离短、能耗高等问题，提出了一种基于48V直流驱动电机的液压泵系统。通过对该系统的工作原理、结构设计进行分析，并在此基础上从电机选型、液压泵结构、控制策略等方面进行优化，可有效延长供电距离，降低能耗。仿真与实验结果表明，优化后的系统效率提升明显，能够满足深井开采的实际需求。本研究对于推动石油开采节能减排、提高采收率具有重要意义。

关键词：石油开采；直流驱动电机；液压泵；井下应用；节能减排

引言：

石油作为重要的化石能源，在国民经济中占据着不可或缺的战略地位。然而，随着油田开发进入中后期，石油开采面临埋深加大、地层条件恶化等诸多挑战。传统的潜油电泵受制于交流电长距离传输损耗大的限制，在深井应用中供电距离短、效率低，严重制约了油田的经济高效开发。近年来，随着电力电子技术和新型传动技术的发展，采用直流驱动电机液压泵系统取代潜油电泵成为石油开采领域的研究热点。本文针对该系统在井下应用中遇到的问题，从设计和优化两个角度进行深入研究，以期为石油开采节能减排和提高采收率提供新的思路与方法。

1. 48V直流驱动电机液压泵系统的工作原理

1.1 系统组成与结构

48V直流驱动电机液压泵系统主要由三部分组成：直流电源、直流电机和液压泵。直流电源采用工频交流电整流后并联多个蓄电池组获得，为系统提供稳定的48V直流电压。直流电机选用永磁无刷电机，具有功率密度大、效率高、可靠性好等优点，特别适合在井下恶劣环境中长期运行[1]。液压泵采用柱塞泵，通过电机轴端直接驱动，结构紧凑，输出压力和流量大，能有效克服深井油藏开采中的高背压。

1.2 工作原理

48V直流驱动电机液压泵系统的工作原理如下：首先，48V直流电源为永磁无刷电机提供电能，电机在控制器的调节下高速旋转，带动液压泵转子转动。液压泵将电机的机械能转换为液压能，输出高压液流。高压液体经过液压管路输送到井下油藏，克服油层背压，将原油从地层中驱替出来，完成石油开采过程。在实际工作中，通过改变电机的转速和泵的排量，可灵活调节输出压力和流量，适应不同油藏条件下的开采需求。

2.系统设计与优化

2.1 电机选型与优化

首先根据系统的功率和速度要求，选择合适的电机类型和容量。永磁无刷直流电机以其高效、高功率密度和良好的可控性，成为井下应用的理想选择。其次，在电机结构设计时，应重点优化电机的绕组布置和磁路设计，以提高电机的输出转矩和效率。例如，采用集中绕组和高性能永磁体材料，可有效减小电机的体积和损耗。再者，应用有限元分析等工具对电机进行热、电、磁场的耦合分析和优化，确保电机在恶劣的井下环境中安全、可靠运行。

2.2 液压泵结构设计与优化

井下液压泵普遍采用柱塞泵，其结构紧凑，输出压力和流量大。为提高泵的容积效率和机械效率，一方面要优化柱塞和缸体的配合间隙，减小泄漏损失；另一方面要改进配流盘和斜盘的结构，降低摩擦损耗。合理选择泵的柱塞数量和排量，在满足系统输出要求的前提下，尽可能降低泵的体积和重量[2]。针对井下高温、高压、高含砂量的恶劣工况，泵的关键零部件表面应采用耐磨、耐蚀的特种涂层或表面处理技术，以延长其使用寿命。表1比较了不同结构柱塞泵的主要性能指标。

表1 不同结构柱塞泵性能比较

2.3 控制策略设计与优化

系统采用基于速度和压力双闭环的矢量控制策略，通过控制电机的转矩和转速，实现对泵输出压力和流量的精确调节。在速度控制内环中，采用基于电流前馈的PI控制，可提高系统的动态响应性能；在压力控制外环中，采用自适应PID控制（见图1），可根据负载的变化实时调整控制参数，确保系统的稳定性。此外，结合井下油藏的动态变化，设计自优化控制算法，随时调整电机和泵的工作点，使系统始终在高效区运行。利用现场总线技术实现井下系统与地面监控中心的实时通信和远程调节控制，为油田的智能化开采提供支持[3]。

图1 PID控制器原理图

3.仿真与实验验证

3.1 系统效率仿真分析

为评估48V直流驱动电机液压泵系统的节能效果和运行性能，首先搭建了系统的仿真模型。该模型基于MATLAB/Simulink平台，综合考虑了电机、液压泵、控制器以及油藏等各子系统的特性参数，能够较为真实地反映系统的实际工作状态。通过仿真分析，可以预测系统在不同工况下的效率水平。仿真结果表明，在额定工况下，系统总效率可达到75%以上，较常规潜油电泵系统提高了10%左右。此外，还考察了电机转速、泵排量、供电电压等参数对系统效率的影响规律。

3.2 实验平台搭建

为验证48V直流驱动电机液压泵系统的实际性能，搭建了一套实验平台。该平台由直流电源、永磁无刷电机、柱塞泵、控制器、压力流量传感器、数据采集系统等组成。其中，直流电源采用串联型蓄电池组，电机和泵的选型参数与实际井下应用相似。实验平台可模拟不同的井下工况，通过调节电机速度和泵排量，测试系统在不同压力、流量下的输出特性和能耗水平。同时，平台配备了高精度的测试仪表和数据记录设备，可实时采集电机和泵的速度、扭矩、压力、流量、温度等关键参数，为性能分析和优化控制提供数据支撑。

3.3 实验结果与分析

利用所搭建的实验平台，对48V直流驱动电机液压泵系统进行了全面的性能测试与分析。实验结果表明，该系统在额定工况下，电机效率可达92%，液压泵效率接近90%，系统总效率在80%以上，与仿真预测结果吻合良好。在变工况实验中，通过优化控制策略，系统效率始终保持在较高水平，且压力、流量调节精度满足设计要求。对比测试结果显示，相比常规潜油电泵，该系统效率提升10%以上，且供电距离可延长50%，节能效果显著。

结语

本文对一种应用于石油开采的48V直流驱动电机液压泵系统进行了设计和优化研究。通过合理的电机选型、液压泵结构设计以及先进控制策略，在延长供电距离的同时显著提升了系统效率，较好地解决了潜油电泵在深井应用中存在的问题。仿真与实验结果证实了所提出方法的有效性。这一研究成果对于推动石油开采实现节能减排、提高采收率具有积极的指导意义。

参考文献

[1]闫旭.井下采煤机双电机协调控制分析[J].机械管理开发，2024，39(04)：315-317.

[2]李龙旭，王亦青.煤矿井下防爆电机结构优化设计研究[J].电气防爆，2024，(01)：1-4.

[3]张敏.永磁电机驱动在煤矿井下带式传输机中的应用[J].科技创新与应用，2023，13(24)：169-172.