基于磁懸浮技術的抽油機設計

□ 焦裕璽 □ 黃鶴松 □ 盧正通 □ 衛 璐 □ 馬 坤 □ 李 煒

1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院 山東青島 266590

2.勝利油田技術檢測中心 山東東營 257000

1 機械采油現狀分析

目前我國除少數油井為自噴油井外，幾乎所有油井采用抽油機或螺桿泵舉升工藝進行機械采油，效率低（見表1），能耗大，機械采油系統能耗約占采油總成本的50%。當前，原油產量處于快速增長期，能源消費總量逐年增加，增幅接近20%。國內各大油田都在進行節能降耗的研究，因此提高機采系統效率，優化機采系統的能源利用效率，對降低生產成本、實現低碳生產具有重要意義。

表1 抽油機效率匯總表

機采系統能耗主要是由井下桿柱和液柱的質量加載給電機所引起的載荷能耗，其余系統能耗包括電機自損耗、抽油機傳動磨損以及其它摩擦阻力。電機自損耗包括熱損失和機械損失；抽油機傳動磨損有：皮帶傳動部件的摩擦損失，減速箱內部傳動摩擦損失，四連桿裝置的軸承摩擦損失和鋼絲繩變形損失，抽油桿部分的摩擦損失和彈性變形損失［1］。因此，提高機采系統效率的主要措施是減少能量傳遞過程中各環節的能量損耗，使抽油機的電能盡可能多地轉換為機械能，用于原油的舉升開采。

2 磁懸浮原理介紹

▲圖1 磁懸浮列車基本原理

磁懸浮是一種斥力懸浮系統，利用 “磁體同性相斥”原理設計。下面以磁懸浮列車為例，介紹磁懸浮工作的基本原理。磁懸浮列車懸浮間隙上下兩側安裝電磁線圈，并分別放置磁化感應鋼板和反作用板，以增強磁化面積與磁化能力，通過控制電磁線圈的電流使列車車身產生的磁場極性與軌道產生的電磁極性相同，由此列車軌道和列車間出現強大排斥力，該力與列車重力相互平衡，使列車車身和軌道間保持1 cm的間隙，列車懸浮在軌道上運行［2］，如圖1所示。

磁懸浮列車的驅動和同步直線電機運行原理一樣，在位于軌道兩側的線圈與車身底部的線圈中通入交流電，兩套線圈得電后變成電磁體，軌道電磁體與車身電磁體相互作用，根據異性相吸同性相斥的原理，使列車開動。假若列車車身的電磁體被磁化為N極，會被安裝在車身前方軌道上電磁體S極所吸引，同時又被安裝在車身后方軌道上的電磁體N極所排斥，在這對引力與斥力的共同作用下，列車開動。由于線圈中通的是交流電，在接下來半個電周期中，之前的S極變成N極，N極變成S極［3］，循環往復，使列車向前奔馳。

3 磁懸浮抽油機方案設計

▲圖2 磁懸浮機采系統結構

▲圖3 抽油機3D效果圖

借鑒目前常用抽油機的先進技術，結合磁懸浮技術與直線電機的特點，設計了如圖2所示的機械采油系統。直線電機懸浮運動系統置于機架內部，可以避免惡劣環境和雨雪天氣對設備的影響。采用傳統的天輪與配重設計，可以進一步提升機采系統的平衡性，提高能量轉化率和系統效率［4］。磁懸浮抽油機3D效果圖如圖3所示。

4 性能分析

由于利用了磁懸浮技術，使部件間沒有接觸，因此無摩擦、無機械磨損、低能耗、低噪聲；不需要支撐介質，可在各種特殊條件下應用，而且可以長期工作，無需潤滑和維護；易于實現計算機控制，進而實現運動、監控及自動檢測和診斷，自動化程度高；受力分布均勻，因為磁懸浮支撐力是均勻分布在整個磁極面上，大大減小了應力，提高了使用壽命和可靠性［5］。

直線電機與傳統抽油機旋轉電機相比，由于直線電機沒有把旋轉運動變成直線運動的附加裝置，因而使機械采油系統能量傳遞效率提高，去除了復雜的傳動結構，其本身的結構大為簡化［6］；直線電機可以實現直接傳動，因而可以消除中間環節所帶來的各種定位誤差，若采用微機控制，則可以大大提高整個系統的定位精度［7］。現場實際對比游梁式抽油機與直線電機抽油機，結果見表2。可以發現，直線電機抽油機的節電率達到54.7%，節能效果顯著。直線電機在每個沖程中的90%時間都是勻速運動，系統效率高。

表2 直線電機測試結果

直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力。磁懸浮直線電機可以實現無接觸傳遞力，機械摩擦損耗幾乎為零，所以工作效率高。磁懸浮技術用于機械采油將是抽油機未來發展的主要方向。

5 結束語

磁懸浮技術與直線電機技術結合應用，可最大限度地減少電機損失、皮帶傳動損失、減速箱機械損失、四連桿傳動損失，提高能量轉化效率和系統效率，節約了能源。使用直線電機技術，可實現對運動的精準控制，以獲得最佳沖程沖次。該技術的運用，可以有效推動油田節能減排和智能化建設工作的進程，其社會效益和經濟效益顯著。

［1］ 周正友，劉吉明，李清振.孤島油田抽油機采油系統的能耗分析及系統最優配置［J］.石油工程建設，2005，31（3）：8-11.

［2］ 王輝，鐘曉波，沈鋼.一種新型磁懸浮線路設計方案及懸浮控制方法［J］.同濟大學學報（自然科學版），2013，41（7）:1112-1118.

［3］ 秦偉，范瑜，李碩，等.電磁電動式磁懸浮裝置的磁場分析和力特性研究［J］.電機與控制學報，2012，16（1）:67-71.

［4］ 何畏，王向濤，孫宇，等.抽油機連桿的力學分析及結構改進［J］.天然氣與石油，2013，31（3）:71-74.

［5］ 朱熙，范瑜，秦偉，等.旋轉磁場電動式磁懸浮裝置的力和損耗特性分析［J］.中國電機工程學報，2012，32（12）:90-96.

［6］ 許德福，樊軍，郭書軍.直線電機抽油機懸點運動特性的動態仿真分析［J］.機械工程與自動化，2012（3）:43-45.

［7］ 楊繼軍，李洪山，劉延平，等.直線電機智能抽油機研制［J］.石油鉆采工藝，2005，27（Z1）:47-49.