復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場試驗(yàn)

鄭傳濟(jì)（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)受到傳動原組的影響，在節(jié)能改造過程中僅局限于更換變壓器、電動機(jī)和電控箱，節(jié)能潛力有限，效果并不理想，應(yīng)用推廣復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)對于降低采油成本、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有重要意義。

1 復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)主要由復(fù)式永磁電動機(jī)、機(jī)架和變頻控制裝置三部分組成，取消了傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的機(jī)械傳動裝置，設(shè)計(jì)為單管塔式結(jié)構(gòu)，并把復(fù)式永磁電動機(jī)安裝在塔頂?shù)钠脚_上，由智能變頻柜控制它直接拖動抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動。

1.1 復(fù)式永磁電動機(jī)

復(fù)式永磁電動機(jī)是抽油機(jī)的核心部分，其結(jié)構(gòu)形式與現(xiàn)有的各種永磁電動機(jī)不同，它在普通電動機(jī)1 個(gè)電樞的基礎(chǔ)上，又加上2 個(gè)盤式電樞，構(gòu)成了三維合力的特種永磁同步電動機(jī)。該電動機(jī)采取變級變頻、永磁新材料、盤面電動機(jī)、外轉(zhuǎn)子電動機(jī)的結(jié)合設(shè)計(jì)，利用了電動機(jī)的三維空間，與現(xiàn)在的各種低速大力矩盤式永磁電動機(jī)相比，在同樣體積下，力矩可顯著提高。其主要特點(diǎn)是：

1）效率高：該電動機(jī)銅鐵損幾乎為零，電動機(jī)效率較高。

2）啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流?。涸撾妱訖C(jī)由于啟動轉(zhuǎn)速低，所以它的啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流從零到運(yùn)行電流，沒有電流沖擊。

3）轉(zhuǎn)速低：最大轉(zhuǎn)速為25 r/min。

4）噪音?。涸肼曅∮?0 dB，低于國家80 dB的標(biāo)準(zhǔn)。

5）溫升低、壽命長：電動機(jī)線包溫度低于20 ℃。

1.2 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動效率低的問題（圖1），復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上借助復(fù)式永磁電動機(jī)的低轉(zhuǎn)速、大扭矩特性，結(jié)合變頻控制器的變頻調(diào)速功能，采取電動機(jī)直接驅(qū)動方式，取消了傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的減速器、四連桿機(jī)構(gòu)、傳動皮帶等復(fù)雜機(jī)構(gòu)。

圖1 傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

該抽油機(jī)設(shè)計(jì)為單管塔式結(jié)構(gòu)，主要由復(fù)式永磁電動機(jī)、機(jī)架和變頻控制裝置三部分組成，如圖2 所示。其核心部件是復(fù)式永磁電動機(jī)，安裝在塔頂?shù)钠脚_上，電動機(jī)兩端的軸通過皮帶分別連接著塔架兩側(cè)的抽油桿和配重箱。當(dāng)電動機(jī)受智能變頻柜控制做往復(fù)轉(zhuǎn)動時(shí)，抽油桿和配重箱則會做方向相反的上下往復(fù)直線運(yùn)動，采用直接平衡的方式，即實(shí)現(xiàn)了抽油桿的抽油動作[1]，基本參數(shù)見表1。

圖2 復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)基本參數(shù)

1.3 智能控制設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)抽油機(jī)所選用的異步電動機(jī)和間接驅(qū)動的同步電動機(jī)由于電動機(jī)自身的限制，抑制了變頻器的效能。而復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)的直接驅(qū)動使變頻控制器的變頻調(diào)速功能得到最大程度的發(fā)揮，系統(tǒng)總控流程圖如圖3所示，該控制器具有以下功能：

1）自動調(diào)速功能。復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)采用變頻控制，使抽油機(jī)沖速調(diào)整方便，只通過調(diào)整點(diǎn)位器和改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速即可，即利用控制器前面板上的調(diào)節(jié)旋鈕來調(diào)節(jié)上行、下行速度，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為增大上、下行速度，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為減小上、下行速度，最大調(diào)節(jié)范圍0～10 Hz，見圖4。

2）該控制系統(tǒng)具有GPRS 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能和斷電停機(jī)自動再啟動功能。

圖3 系統(tǒng)總體控制操作流程框圖

圖4 變頻控制柜前面板外形圖

當(dāng)非正常停機(jī)斷電時(shí)，控制系統(tǒng)延時(shí)一段時(shí)間，發(fā)出啟動語音警告，警告延時(shí)后自動啟動抽油機(jī)。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)（表2），該系統(tǒng)可及時(shí)將報(bào)警信息發(fā)到遠(yuǎn)程中控室計(jì)算機(jī)和負(fù)責(zé)人手機(jī)，提示負(fù)責(zé)人快速響應(yīng)，及時(shí)處理抽油機(jī)的異常情況。

表2 復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)報(bào)警狀態(tài)

3）移動電話主動問詢整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)功能。管理人員可以使用任何一部移動電話，向本抽油機(jī)（內(nèi)嵌SIM 卡號）發(fā)送數(shù)字短信0～9 之間任意數(shù)字，則本智能型抽油機(jī)隨即以漢字形式回復(fù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息，如正常運(yùn)行、故障停機(jī)等，這樣可以隨時(shí)監(jiān)控抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

表3 12-22 井試驗(yàn)前后基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對比

表4 12-22 井復(fù)式永磁電動機(jī)安裝前后節(jié)能效果對比

2 現(xiàn)場試驗(yàn)及效果

喇嘛甸油田在12-22 井上進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，該井原為游梁式抽油機(jī)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表3。

復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，從測試數(shù)據(jù)看，有功節(jié)電率35.2%，綜合節(jié)電率40.91%，系統(tǒng)效率提高了19.67%，具有較好的節(jié)能效果，見表4。

3 應(yīng)用評價(jià)

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)與傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)比較，具備以下特點(diǎn)：

1）原理上具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，電動機(jī)直接驅(qū)動，傳動效率高；配置的復(fù)式永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低、能耗低、效率高；通過變頻柔性啟動，變壓器的裝機(jī)容量可以和電動機(jī)功率相等容量配置，降低配套變壓器的裝機(jī)容量，減小變壓器的自身損耗；平衡方式為直接平衡，調(diào)整方便，平衡效果好，整機(jī)壽命長[2]。

2）自動化程度高，具有遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和自動調(diào)速功能，沖程、沖速調(diào)整方便，工人勞動強(qiáng)度低。

3）該機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，故障少，維修方便，維護(hù)費(fèi)用低。

4）長沖程，低沖速（該抽油機(jī)最大沖程可達(dá)8 m，最大沖速4 min-1，并且沖程和沖速向下無級可調(diào)），排量大，排量效率高，適于含聚濃度高的井。

5）由于工作噪音低，對環(huán)境的噪聲污染小，適合位于居民區(qū)內(nèi)的油井使用。

4 結(jié)論認(rèn)識

1）復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)采用復(fù)式永磁電動機(jī)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速低、扭矩大，不需要減速機(jī)械，功率因數(shù)高，無功功率小，對變壓器具有一定的降容作用，節(jié)能效果明顯。

2）現(xiàn)場試驗(yàn)表明，復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)與傳統(tǒng)抽油機(jī)相比，占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，易于維護(hù)和維修。

山東LNG接收站罐區(qū)及碼頭全景

[1]張佳明.復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)舉升技術(shù)與現(xiàn)場應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2011(8):143.

[2]徐洋.淺析復(fù)式永磁抽油機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)及管理經(jīng)驗(yàn)[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2013(12):199.