復式永磁電動機抽油機設計及現場試驗

鄭傳濟（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

傳統游梁式抽油機受到傳動原組的影響，在節能改造過程中僅局限于更換變壓器、電動機和電控箱，節能潛力有限，效果并不理想，應用推廣復式永磁電動機抽油機對于降低采油成本、實現節能降耗具有重要意義。

1 復式永磁電動機抽油機原理及結構設計

復式永磁電動機抽油機主要由復式永磁電動機、機架和變頻控制裝置三部分組成，取消了傳統游梁式抽油機的機械傳動裝置，設計為單管塔式結構，并把復式永磁電動機安裝在塔頂的平臺上，由智能變頻柜控制它直接拖動抽油桿上下往復運動。

1.1 復式永磁電動機

復式永磁電動機是抽油機的核心部分，其結構形式與現有的各種永磁電動機不同，它在普通電動機1 個電樞的基礎上，又加上2 個盤式電樞，構成了三維合力的特種永磁同步電動機。該電動機采取變級變頻、永磁新材料、盤面電動機、外轉子電動機的結合設計，利用了電動機的三維空間，與現在的各種低速大力矩盤式永磁電動機相比，在同樣體積下，力矩可顯著提高。其主要特點是：

1）效率高：該電動機銅鐵損幾乎為零，電動機效率較高。

2）啟動轉矩大，啟動電流小：該電動機由于啟動轉速低，所以它的啟動轉矩大，啟動電流從零到運行電流，沒有電流沖擊。

3）轉速低：最大轉速為25 r/min。

4）噪音小：噪聲小于60 dB，低于國家80 dB的標準。

5）溫升低、壽命長：電動機線包溫度低于20 ℃。

1.2 抽油機結構優化

針對傳統游梁式抽油機結構復雜、傳動效率低的問題（圖1），復式永磁電動機抽油機在結構設計上借助復式永磁電動機的低轉速、大扭矩特性，結合變頻控制器的變頻調速功能，采取電動機直接驅動方式，取消了傳統游梁式抽油機的減速器、四連桿機構、傳動皮帶等復雜機構。

圖1 傳統游梁式抽油機結構示意圖

該抽油機設計為單管塔式結構，主要由復式永磁電動機、機架和變頻控制裝置三部分組成，如圖2 所示。其核心部件是復式永磁電動機，安裝在塔頂的平臺上，電動機兩端的軸通過皮帶分別連接著塔架兩側的抽油桿和配重箱。當電動機受智能變頻柜控制做往復轉動時，抽油桿和配重箱則會做方向相反的上下往復直線運動，采用直接平衡的方式，即實現了抽油桿的抽油動作[1]，基本參數見表1。

圖2 復式永磁電動機抽油機結構示意圖

表1 復式永磁電動機抽油機基本參數

1.3 智能控制設計

傳統抽油機所選用的異步電動機和間接驅動的同步電動機由于電動機自身的限制，抑制了變頻器的效能。而復式永磁電動機抽油機的直接驅動使變頻控制器的變頻調速功能得到最大程度的發揮，系統總控流程圖如圖3所示，該控制器具有以下功能：

1）自動調速功能。復式永磁電動機抽油機采用變頻控制，使抽油機沖速調整方便，只通過調整點位器和改變電動機轉速即可，即利用控制器前面板上的調節旋鈕來調節上行、下行速度，順時針旋轉為增大上、下行速度，逆時針旋轉為減小上、下行速度，最大調節范圍0～10 Hz，見圖4。

2）該控制系統具有GPRS 遠程監控功能和斷電停機自動再啟動功能。

圖3 系統總體控制操作流程框圖

圖4 變頻控制柜前面板外形圖

當非正常停機斷電時，控制系統延時一段時間，發出啟動語音警告，警告延時后自動啟動抽油機。

當系統出現異常情況時（表2），該系統可及時將報警信息發到遠程中控室計算機和負責人手機，提示負責人快速響應，及時處理抽油機的異常情況。

表2 復式永磁電動機抽油機報警狀態

3）移動電話主動問詢整機運行狀態功能。管理人員可以使用任何一部移動電話，向本抽油機（內嵌SIM 卡號）發送數字短信0～9 之間任意數字，則本智能型抽油機隨即以漢字形式回復當前運行狀態信息，如正常運行、故障停機等，這樣可以隨時監控抽油機的運行狀態。

表3 12-22 井試驗前后基礎數據對比

表4 12-22 井復式永磁電動機安裝前后節能效果對比

2 現場試驗及效果

喇嘛甸油田在12-22 井上進行現場試驗，該井原為游梁式抽油機，基礎數據見表3。

復式永磁電動機抽油機運行平穩，從測試數據看，有功節電率35.2%，綜合節電率40.91%，系統效率提高了19.67%，具有較好的節能效果，見表4。

3 應用評價

通過現場試驗，復式永磁電動機抽油機與傳統游梁式抽油機比較，具備以下特點：

1）原理上具有明顯的節能優勢。該機結構簡單，電動機直接驅動，傳動效率高；配置的復式永磁電動機轉矩大、轉速低、能耗低、效率高；通過變頻柔性啟動，變壓器的裝機容量可以和電動機功率相等容量配置，降低配套變壓器的裝機容量，減小變壓器的自身損耗；平衡方式為直接平衡，調整方便，平衡效果好，整機壽命長[2]。

2）自動化程度高，具有遠程控制系統和自動調速功能，沖程、沖速調整方便，工人勞動強度低。

3）該機整機結構簡單，易損件少，故障少，維修方便，維護費用低。

4）長沖程，低沖速（該抽油機最大沖程可達8 m，最大沖速4 min-1，并且沖程和沖速向下無級可調），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，對環境的噪聲污染小，適合位于居民區內的油井使用。

4 結論認識

1）復式永磁電動機抽油機采用復式永磁電動機設計，轉速低、扭矩大，不需要減速機械，功率因數高，無功功率小，對變壓器具有一定的降容作用，節能效果明顯。

2）現場試驗表明，復式永磁電動機抽油機與傳統抽油機相比，占地面積小、結構簡單，操作方便，易于維護和維修。

山東LNG接收站罐區及碼頭全景

[1]張佳明.復式永磁電動機抽油機舉升技術與現場應用[J].中國石油和化工標準與質量,2011(8):143.

[2]徐洋.淺析復式永磁抽油機優缺點及管理經驗[J].中國石油和化工標準與質量,2013(12):199.