無鐵損永磁調速器在游梁式抽油機上的可行性研究

夏凱旋，韋 濤，趙有龍，范 旭

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司國際公司，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效益。因此，低沖次抽油機和對現有抽油機進行低沖次改進成為抽油機設計的主要方向。本文設計了新的游梁式低沖次抽油機可以實現有效、穩定運行。

1.1 目前游梁式抽油機的傳動系統分析

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。要實現降低沖次的要求，需要重新選擇電機或設計傳動系統。

以3次/min（低沖次）為例，在現有傳動系統的基礎上，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，不符合油田經濟效益。因此，常用的減少沖程次數的方法主要是通過降低抽油機減速器驅動軸的轉速來實現的。常用的方法有變頻器調速、兩級皮帶傳動、低速電機等。

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

采用兩級皮帶傳動，降低沖次的傳動系統結構。一般在原抽油機傳動系統基礎上增加傳動比為2～2.5的帶傳動系統，從而降低沖次。然而，兩級皮帶的張力更為復雜。在野外作業中操作也更加復雜。并且改造時抽油機底座長度應滿足要求，因此在現場的應用越來越少。

1.3 無鐵損永磁調速器在抽油機上應用的可行性研究

目前常見的實現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，降低曲柄的轉速，實現低沖次的目的，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，但由于增加了系統的傳動鏈，增加了成本，同時，不能實現沖次可調的要求。

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

因而急需一種既能獲得較大傳動比，又能實現增加輸出軸扭矩，實現沖次連續可調的減速傳動系統，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。

無鐵損永磁調速器是具有上述優點的傳動系統。無鐵損永磁調速器裝置，包括同軸布置的副軸和延伸主軸；延伸主軸上設有永磁轉子，永磁轉子包括成對平行設置在延伸主軸上的第一永磁轉子盤和第二永磁轉子盤；副軸上固定有導體轉子基盤，導體轉子基盤上固定有導體轉子，導體轉子位于第一永磁轉子盤和第二永磁轉子盤之間且間隔設置；第一永磁轉子盤和第二永磁轉子盤相對的一側設有永磁體組；所述無鐵損永磁調速器裝置還包括用于驅動第一永磁轉子盤和第二永磁轉子盤沿延伸主軸的軸線反向同步移動的驅動機構。通過優化磁路，使得永磁調速裝置的外磁路鏈中無須鐵磁材料，從而可以使產品在運行中無鐵損，可以提高扭矩的傳遞效率，同時減少溫升。通過調整磁隙，可以實現傳動比的調節；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

2.1 主要功能要求和優缺點

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

圖1 無鐵損永磁調速器的抽油機傳動系統

在抽油機應用無鐵損永磁調速器有如下優點：

（1）無鐵損永磁調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，電機裝機功率降低，按照目前無鐵損永磁調速器的性能，其啟動力矩可以增加30%～50%，對應的可以降低抽油機驅動電機裝機功率30%左右，可以顯著提升系統效率。

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

（3）應用無鐵損永磁調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，節電效果明顯，起到節能降耗的作用。

（4）無鐵損永磁調速器可以在一定的范圍內實現傳動比的變化，實現沖次的連續可調。

（5）磁力耦合器性能穩定，免維護，現場應用將減少人力物力投入，適合在環境惡劣的條件下應用。

在抽油機應用無鐵損永磁調速器的主要不足為：

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

（4）增加了支架和控制系統，需要進行現場安裝改造。

綜上所述，無鐵損永磁調速器經過改造后可以滿足在抽油機應用的要求，配套現場設計，按照現場工況，選擇合適的型號，應使磁力耦合器的最大傳遞轉矩大于電機的最大轉矩，可以保證抽油機的正常運行。

2.2 改造的技術途徑

用無鐵損永磁調速器對抽油機進行低沖次改造，需要按照如下技術途徑進行：

（1）測量抽油機減速箱輸入軸的安裝空間，設計、制造合適的角傳動箱。

（2）根據曲柄的旋轉空間，設計傳動軸的長度，按照減速箱力矩和啟動力矩設計傳動軸的直徑，建議選擇雙萬向節傳動軸系統。

（3）根據減速箱高底座的高度，設計電機支架，并進行穩定性校核。

（4）根據減速箱力矩和抽油機的工作特性，選擇無鐵損永磁調速器。

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

（6）完成無鐵損永磁調速器改造抽油機的設計。

2.3 應用前景

據不完全統計，目前我國油田在用游梁式抽油機有30萬臺左右，使用了常規皮帶和2級齒輪減速箱的減速傳動系統。由于我國油田的原油物性和產量決定，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，在新抽油機上應用，將有每年1～1.5萬臺的用量，其應用前景廣闊。

3 結論

1）長沖程、低沖次，沖次連續可調是游梁式抽油機的發展方向。

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

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