抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

許立紅 李青竹 劉士玉 姜冬梅（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

隨著石油行業(yè)的發(fā)展和節(jié)能要求的增加，常規(guī)游梁式抽油機(jī)井節(jié)能改造形成了以更換節(jié)能拖動(dòng)裝置、參數(shù)優(yōu)化為主的技術(shù)措施，但其地面設(shè)備節(jié)能挖潛空間越來越小。通過系統(tǒng)分析，在抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)研發(fā)應(yīng)用了永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大力矩、運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，由永磁同步電動(dòng)機(jī)、配套的控制箱及支撐部分組成[1]。

隨著低速電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，在永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，抽油機(jī)舉升方式仍以游梁式抽油機(jī)為主。與永磁半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)對(duì)比，取消了減速器部分，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)，通過變頻器控制實(shí)現(xiàn)需要的沖次數(shù)，減少了游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)部件，具有簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減少維護(hù)部件、運(yùn)行平穩(wěn)、節(jié)能效果等優(yōu)勢(shì)。

1 抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

1.1 結(jié)構(gòu)

抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)屬于高轉(zhuǎn)矩密度永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)，是磁性齒輪和無刷永磁電動(dòng)機(jī)緊密結(jié)合集成于一體的磁性傳動(dòng)裝置，永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1，采用了永磁電動(dòng)機(jī)、磁性齒輪（小輪帶大輪，高速變低速）復(fù)合封裝技術(shù)。同心式磁性齒輪通常有pi對(duì)磁鋼的內(nèi)層轉(zhuǎn)子、有pm對(duì)鐵心的調(diào)磁環(huán)和有po對(duì)磁鋼的外層轉(zhuǎn)子三部分組成，它們之間形成兩層氣隙[2-3]。

圖1 永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of permanent magnet direct drive motor

與機(jī)械齒輪不同的是，磁性齒輪的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件互不接觸，能量通過磁場(chǎng)進(jìn)行傳遞，傳遞效率顯著提高。

1.2 原理

內(nèi)層轉(zhuǎn)子、調(diào)磁環(huán)、外層轉(zhuǎn)子三部分組成同心式磁性齒輪的內(nèi)層氣隙、外層氣隙，形成傳遞能量的磁場(chǎng)。與傳統(tǒng)非同心式磁性齒輪不同的是，內(nèi)層與外層的所有磁鋼同時(shí)參與能量傳遞。當(dāng)內(nèi)層以速度ni旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)層磁鋼在外氣隙中產(chǎn)生一個(gè)極對(duì)數(shù)為pi的基波空間分布磁場(chǎng)。除此之外，由于經(jīng)過調(diào)磁鐵心調(diào)制，這個(gè)空間分布磁場(chǎng)在外層氣隙中還會(huì)產(chǎn)生一系列高次的諧波磁場(chǎng)，其中諧波次數(shù)為|pi-pm|的調(diào)制波幅值最大，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為ni/|pi-pm|。根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換定律，兩個(gè)磁場(chǎng)要進(jìn)行穩(wěn)定的能量傳遞，必須具有相同的極對(duì)數(shù)，因此po=|pi-pm|[4]。

內(nèi)層轉(zhuǎn)子磁鋼由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，調(diào)磁環(huán)固定不動(dòng)，外層轉(zhuǎn)子連接負(fù)載輸出，利用磁場(chǎng)調(diào)制的原理，經(jīng)調(diào)磁環(huán)把高速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)調(diào)制成低速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩輸出。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

1）高轉(zhuǎn)矩密度。由于抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)通過磁場(chǎng)調(diào)制原理實(shí)現(xiàn)減速輸出，結(jié)構(gòu)非常緊湊，具有很高的轉(zhuǎn)矩體積比，屬于自然冷卻條件下高轉(zhuǎn)矩密度的一類電動(dòng)機(jī)。一般情況下達(dá)到80～120 kN·m/m3。

2）傳動(dòng)效率高。與普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行對(duì)比，抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)減少了驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的大部分運(yùn)行區(qū)域的驅(qū)動(dòng)效率在80%以上，額定效率在90%以上。同時(shí)采取的是無接觸傳遞，不存在機(jī)械磨損。

3）高功率因數(shù)。抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)具有很高的功率因數(shù)，減少了無功功率，提高電網(wǎng)質(zhì)量。降低發(fā)輸配電設(shè)備容量及線路損耗、降低新裝機(jī)對(duì)發(fā)輸配電設(shè)備的擴(kuò)容要求。

4）低噪音。抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過優(yōu)化的電磁及工藝設(shè)計(jì)，抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，運(yùn)行安靜，噪音低于60 d B，溫升不超過40 K，抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用前后噪音測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用前后噪音測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Noise test data before and after the application of the direct drive motor of the pumping unit

5）自保護(hù)。抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)提供雙重保護(hù)。除了變頻器提供的過壓、過流保護(hù)外，自身具有過載、打滑的自保護(hù)功能，配有機(jī)械制動(dòng)保護(hù)功能。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)與抽油機(jī)匹配的參數(shù)是扭矩，應(yīng)滿足游梁式抽油機(jī)的扭矩要求。現(xiàn)場(chǎng)累計(jì)應(yīng)用了抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)6臺(tái)，機(jī)型均為10型游梁式抽油機(jī)，其中45 k N的抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)1臺(tái)（新井投產(chǎn)，沒有原態(tài)數(shù)據(jù)，這里不做效果評(píng)價(jià)和效益評(píng)價(jià)）、37 k N的電動(dòng)機(jī)5臺(tái)，最大沖程仍是取決于原四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)沖程，設(shè)計(jì)抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)最大沖次均為6次[5]。

2.1 額定扭矩測(cè)試驗(yàn)證

在室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)，選取理論扭矩37 k N的直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為510 r/min，保護(hù)系數(shù)設(shè)定為0.9，負(fù)載從0 t增加到30 t，扭矩增加到30.3 k N·m時(shí)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，扭矩在31 kN·m時(shí)打滑加劇但還可以運(yùn)行，扭矩增加到33.4 kN·m時(shí)，保護(hù)停止運(yùn)行。由此可見，如果保護(hù)系數(shù)設(shè)定為1，直驅(qū)電動(dòng)機(jī)實(shí)際負(fù)載扭矩可達(dá)37.1 k N·m。

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，配套應(yīng)用變頻類電控箱，根據(jù)需要的扭矩控制電壓，實(shí)現(xiàn)了低速大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)進(jìn)行電壓補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)所需要的超低速運(yùn)行。

2.2 額定扭矩保持不變

抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)安裝選井條件以常規(guī)游梁式CYJY10-3-37HB型抽油機(jī)為主，額定扭矩為37 kN·m，應(yīng)用直驅(qū)電動(dòng)機(jī)后抽油機(jī)主體不變，負(fù)載額定扭矩仍然匹配到37 k N·m，保證了抽油機(jī)安全運(yùn)行[6]。

2.3 啟動(dòng)電流和運(yùn)行電流均下降

抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在應(yīng)用前后調(diào)整到相近的平衡率的情況下進(jìn)行對(duì)比。采用變頻類電控箱控制，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)電流平穩(wěn)上升，從而使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，平均運(yùn)行電流前后對(duì)比見圖2，平均啟動(dòng)最大電流前后對(duì)比見圖3。平均啟動(dòng)最大電流從56.4 A下降到22 A，平均下降幅度60.99%。運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)，平均運(yùn)行電流從35.0 A下降到21.4 A，平均下降幅度為38.86%，應(yīng)用抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)裝置技術(shù)前后啟動(dòng)、運(yùn)行電流對(duì)比見表2[7]。

表2 應(yīng)用抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)裝置技術(shù)前后啟動(dòng)、運(yùn)行電流對(duì)比Tab.2 Comparison of starting and running current before and after the application of the direct drive motor driving device technology of the pumping unit

圖2 平均運(yùn)行電流前后對(duì)比Fig.2 Average operating current before and after comparison

圖3 平均啟動(dòng)最大電流前后對(duì)比Fig.3 Average starting maximum current before and after comparison

2.4 運(yùn)行中負(fù)功大幅度減少

抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效果對(duì)比見表3，可見其耗電量明顯小于措施應(yīng)用前。運(yùn)行過程中功率曲線反映出上、下峰值均下降，運(yùn)行更加平穩(wěn)，可以直觀的說明抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，井4設(shè)備安裝前、后功率曲線見圖4、圖5[8]。

表3 抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效果對(duì)比Tab.3 Comparison of application effect of pumping unit direct drive motor

圖4 井4設(shè)備安裝前功率曲線Fig.4 Power curve of No.4 well equipment before installation

圖5 井4設(shè)備安裝后功率曲線Fig.5 Power curve of No.4 well equipment after installation

2.5 節(jié)能效果顯著

統(tǒng)計(jì)5口井額定扭矩37 kN·m抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的使用效果，沖程、沖次、泵徑在保持不變的情況下，應(yīng)用抽油機(jī)直驅(qū)裝置節(jié)能效果對(duì)比見表4[9]。

表4 應(yīng)用抽油機(jī)直驅(qū)裝置節(jié)能效果對(duì)比Tab.4 Comparison of energy-saving effect of direct drive device of pumping unit

2.6 投入成本小幅度降低

抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用后，與原游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比，減少了減速箱、減速箱大皮帶輪、電動(dòng)機(jī)皮帶輪、皮帶等部分，替代了原有的電動(dòng)機(jī)和電控箱。消耗件皮帶按每年更換3根，其它配件計(jì)算一次性投資，計(jì)算8年投入費(fèi)用，由原游梁式抽油機(jī)由16.82萬元下降到16.73萬元，投入費(fèi)用略有降低。

2.7 經(jīng)濟(jì)效益

應(yīng)用抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)技術(shù)，對(duì)比應(yīng)用前后5口井效果，平均有功功率由3.81 k W下降到3.14 kW，下降了17.59%，有功節(jié)電率達(dá)到14.38%，電價(jià)按0.637元/k Wh、年生產(chǎn)時(shí)間按350 d計(jì)算，年節(jié)電2.30×104k Wh，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益1.47萬元[10]。

3 結(jié)論

1）抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)直接安裝在原有減速箱的基座上，直接驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)行，改造工作量小，不增加占地面積，具有簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

2）抽油機(jī)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)矩密度永磁復(fù)合電動(dòng)機(jī)，取消了原來游梁抽油機(jī)的減速箱傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)部分，提高系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)故障率，且無需更換潤(rùn)滑油，提高設(shè)備的可靠性、增加了設(shè)備連續(xù)工作時(shí)間，年節(jié)約電量2.30×104k Wh，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益1.47萬元。