天平游梁式抽油機(jī)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取

鄭嚴(yán)

摘 要 天平游梁式抽油機(jī)是一種新型抽油機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁同步電動(dòng)機(jī)。抽油機(jī)的野外工作條件惡劣、負(fù)載變動(dòng)大，對電動(dòng)機(jī)的要求較高。針對此情況，提出了永磁同步電動(dòng)機(jī)的選取原則，并對其現(xiàn)場應(yīng)用情況加以監(jiān)測和分析，得出永磁同步電動(dòng)機(jī)性能可靠、節(jié)能降耗的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 永磁同步電動(dòng)機(jī)；永磁體；品質(zhì)因數(shù)；效率

中圖分類號(hào)：TE933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）07-0200-01

1 天平游梁式抽油機(jī)簡介

游梁式抽油機(jī)在我國石油生產(chǎn)設(shè)備中占有絕對地位，約占機(jī)械采油井總數(shù)的90%。普通游梁式抽油機(jī)是把異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)減速箱降速后傳遞給曲柄連桿機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)橫梁、驢頭和抽油桿做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成采油過程。要把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槌橛蜅U的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要曲柄連桿機(jī)構(gòu)和井口裝置共同來完成，這樣勢必會(huì)增加生產(chǎn)成本且耗能較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，普通游梁式抽油機(jī)的總效率平均為30%；在油田生產(chǎn)過程中，電能消耗較大，約占生產(chǎn)成本的33%左右，其中有85%為抽油機(jī)所消耗的電能。因此，抽油機(jī)的節(jié)能降耗是目前亟待解決的問題。

經(jīng)過多年的研究和創(chuàng)新，抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了巨大的變化。天平游梁式抽油機(jī)取消了普通游梁式抽油機(jī)的齒輪減速結(jié)構(gòu)，用支架連接游梁和前后驢頭，利用工作驢頭和配重驢頭重量對稱的平衡方式取代了普通游梁式抽油機(jī)的離心力平衡方式。天平游梁式抽油機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過皮帶把動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)繩移動(dòng)，從而帶動(dòng)抽油桿上下運(yùn)動(dòng)，完成采油過程。由于天平游梁式抽油機(jī)采用對稱平衡方式，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力只需要克服機(jī)械摩擦力即可，使得電動(dòng)機(jī)的輸出功率變小，效率得到提高。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的選取

基于天平游梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用新型材料和加工工藝制造的特種電動(dòng)機(jī)—永磁同步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。由于抽油機(jī)的工作環(huán)境惡劣，載荷變化大，因此對抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能要求比較高。

2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)簡介

永磁同步電動(dòng)機(jī)主要由定子總成、轉(zhuǎn)子總成和機(jī)座三個(gè)部分組成。定子繞組為三組線圈，在定子鐵心上均勻分布，空間位置上相差120度角。定子繞組接通三相交流電后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子由永久磁體按一定對數(shù)組成，它在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率保持同步。定子繞組外加電源頻率的大小可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，基于這一特點(diǎn)，使得抽油機(jī)的控制方式變得簡單易行，可操作性強(qiáng)。天平游梁式抽油機(jī)可以根據(jù)油田生產(chǎn)實(shí)際，借助變頻器及控制技術(shù)任意調(diào)整永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)，改變電動(dòng)機(jī)的速度和出力，提高采收率。

2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的選取原則

2.2.1 必須選用正規(guī)生產(chǎn)廠家的永磁體

永磁體是永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要部件，在選擇時(shí)應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)。正規(guī)生產(chǎn)廠家的設(shè)備先進(jìn)，工藝標(biāo)準(zhǔn)高，產(chǎn)品質(zhì)量好，各項(xiàng)性能指標(biāo)可以長期達(dá)標(biāo)。

2010年，工作人員對永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測。隨機(jī)抽取幾臺(tái)油田正常使用的永磁同步電動(dòng)機(jī)，對電動(dòng)機(jī)中的永磁體進(jìn)行剩磁、磁感矯頑力等參數(shù)的檢測，所檢測的永磁體全部達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。這充分說明，經(jīng)過多年的使用，永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁體基本沒有退磁，性能穩(wěn)定可靠。因此，選擇正規(guī)廠家生產(chǎn)的永磁體，可以提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

2.2.2 適當(dāng)加大永磁同步電動(dòng)機(jī)的軸徑和軸承

作為抽油機(jī)的動(dòng)力裝置，永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能必須符合抽油機(jī)的工作要求。由于井下抽油桿和油柱的重量較大，抽油機(jī)最顯著特點(diǎn)是工作負(fù)載大，這樣會(huì)使永磁同步電動(dòng)機(jī)上轉(zhuǎn)軸和軸承的故障率明顯升高。例如：功率為30 kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)軸直徑為60 mm，所用軸承為2313；可以與之替代的異步電動(dòng)機(jī)功率為55 kW，轉(zhuǎn)軸直徑為75 mm，所用軸承為2314～2317。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，要滿足抽油機(jī)的使用要求，就應(yīng)該將永磁同步電動(dòng)機(jī)的軸徑和軸承適當(dāng)加大1-2個(gè)規(guī)格。

2.2.3 用品質(zhì)因數(shù)評(píng)價(jià)永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能

永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)越大，抽油機(jī)在選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，可以選擇額定功率相對較低的電動(dòng)機(jī)，這樣在提高負(fù)載率的同時(shí)，降低了成本。但是，在抽油機(jī)實(shí)際生產(chǎn)過程中，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常會(huì)在嚴(yán)重欠壓的情況下啟動(dòng)，因此，要想合理、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能，只考慮啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)是不科學(xué)的，還應(yīng)當(dāng)考慮啟動(dòng)電流對電動(dòng)機(jī)的影響。綜合考慮，引用品質(zhì)因數(shù)來評(píng)定電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能會(huì)更加合理，品質(zhì)因數(shù)越大則電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能越好。

3 永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效果分析

在油田生產(chǎn)過程中，通過天平游梁式抽油機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，對永磁同步電動(dòng)機(jī)的使用壽命及節(jié)能效果進(jìn)行分析。

3.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果

2012年，對350口抽油機(jī)井的永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試。測試數(shù)據(jù)表明，大部分永磁同步電動(dòng)機(jī)呈容性，平均功率因數(shù)大于0.9，累計(jì)節(jié)約電量746萬度，綜合節(jié)電10%～30%。

3.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的故障率

2012年底，對350口抽油機(jī)井的永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，有325臺(tái)電動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)行，25臺(tái)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過故障。25臺(tái)故障電機(jī)中有6臺(tái)是轉(zhuǎn)軸斷裂，16臺(tái)是軸承損壞，2臺(tái)是定子線圈燒毀，1臺(tái)是永磁體退磁。永磁同步電動(dòng)機(jī)的年平均故障率為7%，明顯低于異步電動(dòng)機(jī)的年平均故障率8%，能適應(yīng)油田生產(chǎn)的惡劣環(huán)境，可逐步替代異步電動(dòng)機(jī)。

4 結(jié)束語

天平游梁式抽油機(jī)是采油機(jī)械設(shè)備的一個(gè)新突破，作為抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可靠、性能穩(wěn)定、高效節(jié)能等特點(diǎn)會(huì)被更多的研究者所關(guān)注。隨著高性能材料與高科技工藝的研發(fā)，會(huì)使抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能得到完善和改進(jìn)，繼而優(yōu)化抽油機(jī)的性能，提高油田生產(chǎn)效率。

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