夏凱旋，韋 濤，趙有龍，范 旭

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司國際公司，天津 300450）

1 游梁式抽油機改造方案概述

油田開發(fā)中后期，大部分油田會采用游梁式抽油機。為了滿足更高的原油開采需求，油田運用了許多長沖程、低沖次抽油機，我國早期使用的抽油機不滿足該特點，大幅制約了油田開發(fā)效益。因此，低沖次抽油機和對現(xiàn)有抽油機進行低沖次改進成為抽油機設(shè)計的主要方向。本文設(shè)計了新的游梁式低沖次抽油機可以實現(xiàn)有效、穩(wěn)定運行。

1.1 目前游梁式抽油機的傳動系統(tǒng)分析

一般的游梁式抽油機在采用二級分流式減速箱的情況下，沖次為9～15次/min很難滿足目前油田對低沖次抽油機的要求。要實現(xiàn)降低沖次的要求，需要重新選擇電機或設(shè)計傳動系統(tǒng)。

以3次/min（低沖次）為例，在現(xiàn)有傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，需要8左右的傳動比，然而在該傳動比下傳動帶的壽命會降低50%以上。通過增加傳動比，降低抽油機的沖次的方法，大幅降低了傳動帶的壽命，增加了油田抽油機的維護成本和維護時間。

1.2 其他常用的降低沖次的方法對比

減速機是抽油機中最有價值和最核心的部件，其改造成本高、難度大，不符合油田經(jīng)濟效益。因此，常用的減少沖程次數(shù)的方法主要是通過降低抽油機減速器驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。常用的方法有變頻器調(diào)速、兩級皮帶傳動、低速電機等。

變頻器可以降低驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到降低沖次的目的，配套變頻器還需要使用變頻電機，會降低系統(tǒng)效率增加成本，以常規(guī)的驅(qū)動電機（37～45kW）為例，效率會降低15%左右。而且電氣系統(tǒng)在野外工作的可靠性較低，增加了額外的維護成本。使用變頻器使得抽油機的沖次下降后，但驅(qū)動抽油機工作的扭矩沒有下降，只是驅(qū)動電機的功率顯著下降了，電機長期處在額定轉(zhuǎn)速下的低轉(zhuǎn)速運行，不利于其壽命和能耗；變頻調(diào)速屬于恒力矩調(diào)速系統(tǒng)，降低電機的轉(zhuǎn)速后，其輸出力矩沒有增加而是下降，影響了抽油機的驅(qū)動性能。因而通過使用變頻器獲得較低的沖次，不是一種經(jīng)濟和長久的選擇。

采用兩級皮帶傳動，降低沖次的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一般在原抽油機傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加傳動比為2～2.5的帶傳動系統(tǒng)，從而降低沖次。然而，兩級皮帶的張力更為復(fù)雜。在野外作業(yè)中操作也更加復(fù)雜。并且改造時抽油機底座長度應(yīng)滿足要求，因此在現(xiàn)場的應(yīng)用越來越少。

1.3 無鐵損永磁調(diào)速器在抽油機上應(yīng)用的可行性研究

目前常見的實現(xiàn)低沖次的方法有使用低速電機、大傳動比皮帶傳動、兩級皮帶減速和使用變頻器等方式，降低曲柄的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)低沖次的目的，但上述方式存在如下缺點：

（1）對于使用低速電機、大傳動比皮帶傳動、兩級皮帶減速等方式，雖然獲得了較低的沖次，但由于增加了系統(tǒng)的傳動鏈，增加了成本，同時，不能實現(xiàn)沖次可調(diào)的要求。

（2）使用變頻器技術(shù)，可以實現(xiàn)沖次可調(diào)，但不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且由于變頻器屬于恒力矩調(diào)速方式，需要增加驅(qū)動電機的功率，增加了系統(tǒng)的裝機容量。

因而急需一種既能獲得較大傳動比，又能實現(xiàn)增加輸出軸扭矩，實現(xiàn)沖次連續(xù)可調(diào)的減速傳動系統(tǒng)，滿足抽油機降低沖次，增加啟動力矩，降低電機裝機功率的目的。

無鐵損永磁調(diào)速器是具有上述優(yōu)點的傳動系統(tǒng)。無鐵損永磁調(diào)速器裝置，包括同軸布置的副軸和延伸主軸；延伸主軸上設(shè)有永磁轉(zhuǎn)子，永磁轉(zhuǎn)子包括成對平行設(shè)置在延伸主軸上的第一永磁轉(zhuǎn)子盤和第二永磁轉(zhuǎn)子盤；副軸上固定有導(dǎo)體轉(zhuǎn)子基盤，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子基盤上固定有導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子位于第一永磁轉(zhuǎn)子盤和第二永磁轉(zhuǎn)子盤之間且間隔設(shè)置；第一永磁轉(zhuǎn)子盤和第二永磁轉(zhuǎn)子盤相對的一側(cè)設(shè)有永磁體組；所述無鐵損永磁調(diào)速器裝置還包括用于驅(qū)動第一永磁轉(zhuǎn)子盤和第二永磁轉(zhuǎn)子盤沿延伸主軸的軸線反向同步移動的驅(qū)動機構(gòu)。通過優(yōu)化磁路，使得永磁調(diào)速裝置的外磁路鏈中無須鐵磁材料，從而可以使產(chǎn)品在運行中無鐵損，可以提高扭矩的傳遞效率，同時減少溫升。通過調(diào)整磁隙，可以實現(xiàn)傳動比的調(diào)節(jié)；通過磁體間的滑差變化，可以獲得大的啟動力矩。

2 分析依據(jù)

2.1 主要功能要求和優(yōu)缺點

使用無鐵損永磁調(diào)速器的抽油機傳動系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由無鐵損永磁調(diào)速器、傳動軸、角傳動箱和控制柜等部分組成。通過角傳動箱，實現(xiàn)了電機的安裝要求，通過調(diào)整控制參數(shù)，可以實現(xiàn)傳動比的變化，實現(xiàn)了抽油機低沖次工作和沖次連續(xù)可調(diào)的要求。由于無鐵損永磁調(diào)速器具有較大的過載啟動能力，可以顯著增加系統(tǒng)的啟動力矩，降低抽油機驅(qū)動電機的裝機功率，起到節(jié)能降耗的目的。

圖1 無鐵損永磁調(diào)速器的抽油機傳動系統(tǒng)

在抽油機應(yīng)用無鐵損永磁調(diào)速器有如下優(yōu)點：

（1）無鐵損永磁調(diào)速器具有良好啟動特性，可以滿足抽油機對于啟動性能的要求，啟動過程平穩(wěn)，電機裝機功率降低，按照目前無鐵損永磁調(diào)速器的性能，其啟動力矩可以增加30%～50%，對應(yīng)的可以降低抽油機驅(qū)動電機裝機功率30%左右，可以顯著提升系統(tǒng)效率。

（2）無鐵損永磁調(diào)速器屬非接觸式傳動系統(tǒng)，可以有效地隔離電機與負(fù)載之間的震動，并且可以削弱波動性負(fù)載對于電機的影響，起到減震降噪，提升電機壽命的作用。

（3）應(yīng)用無鐵損永磁調(diào)速器后可以降低電機的牌號，做到電機資源的合理配置，使電機運行在高效區(qū)，節(jié)電效果明顯，起到節(jié)能降耗的作用。

（4）無鐵損永磁調(diào)速器可以在一定的范圍內(nèi)實現(xiàn)傳動比的變化，實現(xiàn)沖次的連續(xù)可調(diào)。

（5）磁力耦合器性能穩(wěn)定，免維護，現(xiàn)場應(yīng)用將減少人力物力投入，適合在環(huán)境惡劣的條件下應(yīng)用。

在抽油機應(yīng)用無鐵損永磁調(diào)速器的主要不足為：

（1）增加了角傳動箱，由于角傳動箱的空間受限，需要進行精心設(shè)計和可靠潤滑，這點對維護提出了一定的要求。

（2）傳動軸的距離較大，由于安裝空間的限制，需要較長的傳動軸，一般要求1～1.5m，這對抽油機底座長度提出了較高的要求。

（3）無鐵損永磁調(diào)速器在野外24h交變載荷下長期使用的考驗，需要經(jīng)過實踐的檢驗。

（4）增加了支架和控制系統(tǒng)，需要進行現(xiàn)場安裝改造。

綜上所述，無鐵損永磁調(diào)速器經(jīng)過改造后可以滿足在抽油機應(yīng)用的要求，配套現(xiàn)場設(shè)計，按照現(xiàn)場工況，選擇合適的型號，應(yīng)使磁力耦合器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩大于電機的最大轉(zhuǎn)矩，可以保證抽油機的正常運行。

2.2 改造的技術(shù)途徑

用無鐵損永磁調(diào)速器對抽油機進行低沖次改造，需要按照如下技術(shù)途徑進行：

（1）測量抽油機減速箱輸入軸的安裝空間，設(shè)計、制造合適的角傳動箱。

（2）根據(jù)曲柄的旋轉(zhuǎn)空間，設(shè)計傳動軸的長度，按照減速箱力矩和啟動力矩設(shè)計傳動軸的直徑，建議選擇雙萬向節(jié)傳動軸系統(tǒng)。

（3）根據(jù)減速箱高底座的高度，設(shè)計電機支架，并進行穩(wěn)定性校核。

（4）根據(jù)減速箱力矩和抽油機的工作特性，選擇無鐵損永磁調(diào)速器。

（5）選擇合適的電機，并進行安裝設(shè)計，主要支架與控制柜、抽油機剎車的配合與空間安裝關(guān)系。

（6）完成無鐵損永磁調(diào)速器改造抽油機的設(shè)計。

2.3 應(yīng)用前景

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國油田在用游梁式抽油機有30萬臺左右，使用了常規(guī)皮帶和2級齒輪減速箱的減速傳動系統(tǒng)。由于我國油田的原油物性和產(chǎn)量決定，大概70%左右的油井，需要使用長沖程、低沖次抽吸方式，按照上述分析，無鐵損永磁調(diào)速器改造游梁式抽油機，將有15～20萬臺的市場空間，在新抽油機上應(yīng)用，將有每年1～1.5萬臺的用量，其應(yīng)用前景廣闊。

3 結(jié)論

1）長沖程、低沖次，沖次連續(xù)可調(diào)是游梁式抽油機的發(fā)展方向。

2）無鐵損永磁調(diào)速器具有軟啟動、大傳動比、傳動比可調(diào)、適應(yīng)性強等優(yōu)點，在游梁式抽油機上使用，可以實現(xiàn)抽油機的低沖次工作和沖次連續(xù)可調(diào)，是一種有推廣前景的抽油機低沖次改造方式。

3）無鐵損永磁調(diào)速器是否滿足抽油機載荷變化大、野外工作、連續(xù)運轉(zhuǎn)的要求，需要經(jīng)過改造實踐，才能進行驗證。