基于有限元热分析的潜油螺杆泵伺服系统井下驱动器研究

摘要

开发节能高效的采油设备一直都是石油工业中一个重要研究课题。潜油螺杆泵采油技术因其适用于多种井况、效率高和能耗低等优点从其它人工举升技术中脱颖而出，具有广阔发展前景。以一种节能高效、控制精度和智能化水平高的直驱式潜油螺杆泵伺服系统的关键部件—井下驱动器为研究对象，针对其高温高压的恶劣工作环境，本文主要对井下驱动器进行设计和研究，使其具有较好散热性能，这对提高整个系统的寿命和可靠性具有重要的意义。
　　针对系统整体要求和井下恶劣工况，对井下驱动器进行结构设计。结合非磁性材料磁导率低的特性，设计了一种专用磁电式编码器结构，实现永磁同步潜油电机角位移检测。通过设计高压穿线密封组件，实现了井下驱动器与电机之间电缆的密封导通。通过对比分析井下驱动器的不同散热方案，确定了散热片的结构。同时分析了可能影响井下驱动器散热性能的散热片结构参数，以散热片最大换热面积为优化目标对其进行了优化。
　　通过简化井下驱动器各处连接和内部硬件电路，得出了井下驱动器简化模型。以实际热阻为依据，结合ANSYS热分析提出了一种建立IPM物理模型的方法，从而完善了井下驱动器的简化模型。对有限空间自然对流控制方程式进行了推导，并建立了井下驱动器简化模型的三维温度场分析数学模型。利用ANSYS/FLOTRAN模块对简化模型的温度场等进行了求解，并分析散热片不同换热面积、结构参数和热源位置等对井下驱动器散热性能的影响，从而确定了散热性能较优的井下驱动器结构。
　　利用一种伺服控制柜搭建了实验平台，测量 IPM四个角附近的温度值和所需电学量，并对伺服控制柜的温度场进行仿真分析。仿真结果与实验结果对比表明了 IPM物理模型建立方法的合理性。最后，将井下驱动器样机与永磁同步潜油电机和螺杆泵等装配在一起搭建了井下驱动器地面温度测试实验平台，并针对各工况对井下驱动器简化模型的温度场进行仿真。结果验证了井下驱动器简化模型的合理性及仿真分析的正确性。

目录

基于有限元热分析的潜油螺杆泵伺服系统井下驱动器研究

RESEARCH ON DOWN-HOLE DRIVER OF ELECTRICAL SUBMERSIBLE PROGRESSING CAVITY PUMP SERVO SYSTEM BASED ON FINITE ELEMENT THERMAL ANALYSIS

摘 要

Abstract

目 录

绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 潜油螺杆泵采油系统国内外发展现状

1.2.1 国外潜油螺杆泵采油系统发展现状

1.2.2 国内潜油螺杆泵采油系统发展现状

1.3 热分析方法概述

1.4 直驱式潜油螺杆泵伺服系统设计难点

1.5 本文的主要研究内容

第2章 潜油螺杆泵伺服系统井下驱动器结构设计

2.1 引言

2.2 专用磁电式编码器与高压穿线密封组件结构设计

2.2.1 磁电式编码器的原理与特性

2.2.2 专用磁电式编码器结构设计与分析

2.2.3 高压穿线密封组件设计

2.2.4 井下驱动器结构有限元分析

2.3 散热片结构优化设计

2.3.1 井下驱动器散热方案选择

2.3.2 散热片结构参数的确定与优化

2.4 井下驱动器简化模型建立

2.5 IPM物理模型建立及功率损耗计算

2.5.1 IPM物理模型的建立

2.5.2 IPM功率损耗计算

2.6 本章小结

第3章 潜油螺杆泵伺服系统井下驱动器温度场分析与结构优化

3.1 引言

3.2 封闭空间自然对流问题数学描述

3.2.1 自然对流问题的数学描述

3.2.2 封闭空间自然对流问题控制方程式建立

3.3 井下驱动器三维温度场数学模型的建立

3.3.1 井下驱动器工况简介

3.3.2 控制方程及边界条件的建立

3.3.3 无量纲分析及特征数导出

3.4 ANSYS/FLOTRAN热-流耦合分析算例验证

3.5 井下驱动器热-流耦合分析与参数优选

3.5.1 井下驱动器温度场有限元模型的建立

3.5.2 参数设置与后处理

3.5.3 井下驱动器散热性能分析

3.5.4 井下驱动器结构参数优选

3.6 本章小结

第4章 潜油螺杆泵伺服系统井下驱动器温度测试实验

4.1 引言

4.2 热源验证实验

4.2.1 实验平台的搭建与验证实验

4.2.2 软件仿真结果与实验结果对比分析

4.3 井下驱动器地面温度测试实验

4.3.1 实验平台的搭建与测试实验

4.3.2 井下驱动器温度场仿真结果与实验结果对比分析

4.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢