劉克讓（中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心）

引言

游梁式抽油機(jī)有原動(dòng)機(jī)、皮帶、減速齒輪箱三個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。原動(dòng)機(jī)通常為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，雖然額定效率能達(dá)到90%，但由于抽油機(jī)特殊的工況，每一個(gè)沖程內(nèi)負(fù)載均呈大范圍變化，而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)的效率及功率因數(shù)很低，因此平均效率和功率因數(shù)不高，一般平均效率不超過(guò)80%，平均功率因數(shù)不超過(guò)0.5。

減速齒輪箱通常由3～4 級(jí)人字齒輪或斜齒輪組成，減速比在25～45，額定效率在90%～95%。但是減速齒輪箱需要定期更換潤(rùn)滑油，在高溫、嚴(yán)寒及晝夜溫差大等環(huán)境下，密封容易老化，產(chǎn)生滲油、漏油以及滲入地表的環(huán)境污染問(wèn)題。

皮帶作為連接原動(dòng)機(jī)及減速箱的環(huán)節(jié)，既起到減速的作用，又起到緩沖的作用，有時(shí)也通過(guò)調(diào)節(jié)皮帶輪的大小來(lái)間接調(diào)節(jié)沖速，是游梁式抽油機(jī)非常重要的部件。皮帶輪的效率在恒載時(shí)也能達(dá)到90%，但是在變載時(shí)會(huì)降低，特別是皮帶非常容易磨損，隨著磨損程度的增加，效率會(huì)進(jìn)一步降低，通常一二個(gè)月就需要更換皮帶。

為了提高系統(tǒng)效率，提出了多種節(jié)能方法，例如雙功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、高轉(zhuǎn)差率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)等。這些節(jié)能改造措施均可以在一定程度上提升系統(tǒng)效率，但諸如環(huán)節(jié)較多、維護(hù)頻繁、噪聲較大等問(wèn)題依然沒(méi)有得到解決或改善。

1 游梁式抽油機(jī)直驅(qū)技術(shù)

直驅(qū)游梁式抽油機(jī)取消了傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的原動(dòng)機(jī)、皮帶及減速齒輪箱三個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，換上1 臺(tái)低速大轉(zhuǎn)矩永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)游梁式抽油機(jī)的連桿進(jìn)行采油作業(yè)。

直驅(qū)游梁式抽油機(jī)只有永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。

圖1 游梁式抽油機(jī)直驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)

圖1 中綠色電動(dòng)機(jī)為永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)，替換普通減速箱。與機(jī)械減速齒輪箱相比，永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，不存在軸向承載問(wèn)題，主副軸承采用圓柱滾子軸承，徑向承載能力提高，同時(shí)內(nèi)部高速軸承轉(zhuǎn)速每分鐘只有幾十轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)低于機(jī)械減速齒輪箱的高速軸承轉(zhuǎn)速，壽命大大延長(zhǎng)，理論壽命達(dá)15年以上。體積與同轉(zhuǎn)矩規(guī)格的減速齒輪箱相當(dāng)，遠(yuǎn)小于普通低速電動(dòng)機(jī)，因此，對(duì)傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行直驅(qū)改造時(shí)不需要改變?cè)械幕A(chǔ)設(shè)施，可以直接按照原有的減速齒輪箱規(guī)格設(shè)計(jì)主軸及底座，直接在原基座上安裝。

2 永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

游梁式抽油機(jī)直驅(qū)技術(shù)的關(guān)鍵是滿足生產(chǎn)需要的電動(dòng)機(jī)，即永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)。2001年，英國(guó)學(xué)者K.Atallah 提出了一種基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的高性能同心式磁性齒輪，關(guān)鍵之處在于內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間引入了調(diào)磁鐵芯，使得少極數(shù)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的高速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)調(diào)磁鐵芯調(diào)制后，在外氣隙中形成與多極數(shù)外轉(zhuǎn)子相同極對(duì)數(shù)的低速諧波磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低速大轉(zhuǎn)矩輸出。由于所有磁鋼同時(shí)參與作用，該磁性齒輪與傳統(tǒng)內(nèi)外嚙合式磁性齒輪相比，轉(zhuǎn)矩密度大大提高，能夠與機(jī)械齒輪相媲美；同時(shí)，又具有機(jī)械齒輪所不具備的無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)接觸、自保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因而近年來(lái)得到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。

同心式磁性齒輪通常由磁鋼內(nèi)層、鐵心的調(diào)磁環(huán)和磁鋼的外層三部分組成，它們之間形成兩層氣隙（圖2）。與機(jī)械齒輪不同的是，磁性齒輪的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件互不接觸，能量通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行傳遞。與傳統(tǒng)非同心式磁性齒輪不同的是，內(nèi)層與外層的所有磁鋼同時(shí)參與能量傳遞，傳遞效率大大提高。

圖2 永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

1）永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)減少了驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)故障率，且無(wú)需更換潤(rùn)滑油，提高了設(shè)備的可靠性，增加了設(shè)備的連續(xù)工作時(shí)間。

2）永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)不僅具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)，而且無(wú)需任何冷卻措施，額定效率超過(guò)90%，25%以上負(fù)載范圍內(nèi)的平均效率亦達(dá)到85%。23 kW的永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)可以代替45 kW 的普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)負(fù)載不變的情況下，降低功率等級(jí)等于提高電動(dòng)機(jī)負(fù)載率[1]。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，負(fù)載越接近額定功率，效率越高。

3）自然冷卻條件下，永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)的溫升低，為20 K，保證了永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 試驗(yàn)效果

3.1 示功圖分析

因?yàn)槭竟D是在水力模擬井上取得，井下狀態(tài)穩(wěn)定，所以示功圖前后變化不大。

同一井況條件下，永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)直驅(qū)抽油機(jī)技術(shù)減少了懸點(diǎn)載荷的波動(dòng)，最大載荷由69.74 kN減小到65.07 kN。

3.2 能耗分析

從理論上計(jì)算，抽油機(jī)直驅(qū)因?yàn)闆](méi)有皮帶與減速箱的損耗，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的效率提高，有功節(jié)電率應(yīng)該在10%以上，與測(cè)試結(jié)果相符。

為了提高測(cè)試的準(zhǔn)確度，對(duì)比試驗(yàn)選用中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心能效檢測(cè)站內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)榇藰?biāo)準(zhǔn)井在關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)配置了高精度傳感器，可檢測(cè)抽油機(jī)系統(tǒng)從高壓側(cè)到井口的各項(xiàng)參數(shù)，所以保證了測(cè)試結(jié)果的精度要求。測(cè)試及計(jì)算方法按照SY/T 6422—2008 《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測(cè)定》和Q/SY 101—2007《抽油機(jī)及輔助配套設(shè)備節(jié)能檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法》的相關(guān)要求，平均綜合節(jié)電率為16.53%。

4 結(jié)論

1）永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)直驅(qū)抽油機(jī)已經(jīng)在采油廠連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行2年以上，說(shuō)明此方案是可靠的。

2）游梁式抽油機(jī)采用永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)直驅(qū)是比較理想的節(jié)能方式，節(jié)約了人力與材料成本，為游梁式抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展提出了一種新思路。

[1]王釗,秦英,李權(quán),等.抽油機(jī)節(jié)能電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(8):58-61.