半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

摘" 要：游梁式抽油機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，野外應(yīng)用適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，但存在皮帶傳動(dòng)效率損失、能耗高、有一定操作安全風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)傳動(dòng)皮帶，將電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩直接傳遞給抽油機(jī)減速箱，高效節(jié)能，使用安全，符合油田綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的要求。

關(guān)鍵詞：半直驅(qū)；電動(dòng)機(jī)；節(jié)能；安全；油田

中圖分類號(hào)：TM351" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）11-0189-04

Abstract： The beam pumping unit has the characteristics of simple structure， convenient operation， and strong adaptability to field applications. However， there are problems such as loss of belt transmission efficiency， high energy consumption， and certain operational safety risks. The semi-direct drive permanent magnet synchronous motor has no transmission belt， which directly transmits the output torque of the motor to the gearbox of the pumping unit. It is efficient， energy-saving， safe to use， and meets the requirements of green， low-carbon， and sustainable development in oil fields.

Keywords： semi-direct drive; motor; energy saving; safety; oil field

在“碳達(dá)峰、碳中和”大背景下，勝利油田成立“雙碳”工作專班，上下聯(lián)動(dòng)，不斷提高能源利用效率，降低能耗和碳排放，實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。游梁式抽油機(jī)是勝利油田常用的采油機(jī)械設(shè)備，是油田耗能較大的設(shè)備，電動(dòng)機(jī)與減速箱之間應(yīng)用皮帶傳動(dòng)，具有傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單、皮帶易更換、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在皮帶易打滑、有傳動(dòng)損耗、更換頻繁等缺點(diǎn)。

1" 常規(guī)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式

在勝利油田應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)中，不論是三相異步電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出端都是皮帶輪。電動(dòng)機(jī)皮帶輪與游梁式抽油機(jī)減速箱皮帶輪之間通過(guò)皮帶連接，將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能傳遞給減速箱。

2" 皮帶傳動(dòng)的游梁式抽油機(jī)存在的問(wèn)題

2.1" 皮帶傳動(dòng)的游梁式抽油機(jī)能耗高

目前12型游梁式抽油機(jī)根據(jù)負(fù)載使用22 kW或30 kW電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為500～980 r/min，日耗電量116 kW·h；驢頭空載時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)困難；皮帶平均每3月更換一次，每次更換時(shí)間大約在30 min，更換頻繁，單次更換時(shí)間較長(zhǎng)，降低了抽油機(jī)的開(kāi)井時(shí)率。

2.2" 皮帶傳動(dòng)效率低、安全性差

電動(dòng)機(jī)與減速箱之間通過(guò)皮帶傳動(dòng)，皮帶與皮帶輪之間是滑動(dòng)摩擦，傳動(dòng)效率低，特別是雨季時(shí)期，皮帶易打滑，甚至燒斷，需要定時(shí)巡檢，不定時(shí)緊皮帶或更換皮帶。在緊皮帶或更換皮帶過(guò)程中易被皮帶擠傷，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

3" 人力資源優(yōu)化矛盾

勝利油田實(shí)施改革后，人力資源不斷優(yōu)化，一線職工逐步減少，由平均1人管理2～4口井，逐漸到目前1人管理5～10口井，出現(xiàn)人力資源優(yōu)化與生產(chǎn)工作量之間的矛盾。為了適應(yīng)油田改革綠色發(fā)展的需求，因此需要在人力資源優(yōu)化的同時(shí)，減輕一線職工的生產(chǎn)工作量，提高勞動(dòng)效率。

4" 半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

4.1" 技術(shù)簡(jiǎn)介

半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)外形呈扁平狀，具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，直接安裝在抽油機(jī)減速箱輸入軸處，沒(méi)有游梁式抽油機(jī)減速箱皮帶輪與電動(dòng)機(jī)皮帶輪之間的皮帶傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)對(duì)游梁式抽油機(jī)減速箱的直接驅(qū)動(dòng)，是一種新的驅(qū)動(dòng)工藝。

4.2" 技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

1）半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)極數(shù)在36～64極，高極數(shù)，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)溫度低。常規(guī)電動(dòng)機(jī)極數(shù)在6～12極，低極數(shù)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)溫度高。

2）半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速160 r/min，通過(guò)變頻器對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)10～300 r/min，實(shí)現(xiàn)游梁式抽油機(jī)沖次的調(diào)節(jié)，低速震動(dòng)小，噪音低，噪聲分貝是28 dB左右。常規(guī)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速在500～980 r/min，高速震動(dòng)大，噪音高，平均分貝是78 dB。

3）半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩2 300 N·m，低速轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)。常規(guī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，過(guò)載能力弱。

4）半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)直接安裝在減速箱輸入軸處，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)減速箱運(yùn)轉(zhuǎn)，消除了皮帶傳動(dòng)過(guò)程中的傳動(dòng)損耗。常規(guī)電動(dòng)機(jī)皮帶松緊合適，下皮帶傳動(dòng)效率是90%，存在皮帶傳動(dòng)損耗。

5）半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)為全密封結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)裝置內(nèi)置，完全防止外物侵入，因此對(duì)職工的機(jī)械傷害概率為零。常規(guī)電動(dòng)機(jī)皮帶輪與皮帶都是外置傳動(dòng)，易被外物侵入，會(huì)對(duì)設(shè)備或職工造成傷害。

6）半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)軸孔及軸套內(nèi)徑與減速箱軸外徑與減速箱軸外徑公差匹配，減速箱內(nèi)齒輪與輸入軸完好、無(wú)擺動(dòng)、無(wú)松框和竄軸現(xiàn)象[1]。常規(guī)電動(dòng)機(jī)不受游梁式抽油機(jī)減速箱竄軸問(wèn)題的影響。

4.3" 維護(hù)保養(yǎng)

1）半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)日常保養(yǎng)方便，與常規(guī)電動(dòng)機(jī)相同，通過(guò)黃油嘴，每半年加注一次ZL-3鋰基潤(rùn)滑脂，保養(yǎng)一次需要時(shí)間5～10 min。

2）半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)直接安裝在抽油機(jī)輸入軸處，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)減速箱運(yùn)轉(zhuǎn)。常規(guī)電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)抽油機(jī)減速箱運(yùn)轉(zhuǎn)，皮帶輪與皮帶配合將電動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈退龠\(yùn)轉(zhuǎn)，需要定期對(duì)皮帶松緊度進(jìn)行調(diào)節(jié)，皮帶磨損或皮帶輪損壞都需要停井更換，因此半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)比常規(guī)電動(dòng)機(jī)日常維護(hù)工作量少、時(shí)間短。

3）常規(guī)電動(dòng)機(jī)的皮帶或皮帶輪每日需要檢查，發(fā)現(xiàn)皮帶松，要及時(shí)緊皮帶；發(fā)現(xiàn)皮帶磨損或皮帶輪損壞，要及時(shí)更換皮帶或皮帶輪。在緊皮帶和更換皮帶及皮帶輪過(guò)程中存在擠傷風(fēng)險(xiǎn)。半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)非皮帶傳動(dòng)，因此無(wú)此類維護(hù)更換工作，不存在擠傷風(fēng)險(xiǎn)。

4）半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)發(fā)熱低，設(shè)備無(wú)風(fēng)扇，采取自然冷卻方式。常規(guī)電動(dòng)機(jī)采取風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷降溫，風(fēng)扇損壞時(shí)需要更換風(fēng)扇。

4.4" 半直驅(qū)電動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)

4.4.1" 安裝時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)要求高

半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)重量大，安裝在減速箱輸入軸處，安裝位置高，精度要求高，需要專業(yè)廠家安裝或更換，安裝一次需要時(shí)間2 h。常規(guī)電動(dòng)機(jī)重量較輕，安裝在抽油機(jī)底座滑軌上，安裝位置低，安裝工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)要求低，采油工可以自行安裝或更換，安裝一次需要40 min。

4.4.2" 硬連接，過(guò)載保護(hù)要求高

半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)與減速箱之間是軸連接，屬于硬連接，當(dāng)游梁式抽油機(jī)遇到卡阻時(shí)，半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)也將遇到卡阻，為防止燒電動(dòng)機(jī)，過(guò)載保護(hù)必須靈敏可靠。常規(guī)電動(dòng)機(jī)與減速箱之間是皮帶連接，屬于軟連接，當(dāng)游梁式抽油機(jī)遇到卡阻時(shí)，在過(guò)載保護(hù)失靈時(shí)，皮帶將打滑甚至燒掉，防止燒電動(dòng)機(jī)。

5" 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

5.1" 節(jié)能效果

河口采油廠管理四區(qū)安裝了50臺(tái)半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)，安裝前后對(duì)比情況見(jiàn)表1。

從表1可以看出，通過(guò)安裝半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)，游梁式抽油機(jī)噸液耗電由4.45 kW·h/t下降到3.53 kW·h/t，噸液耗電下降0.92 kW·h/t，平均單臺(tái)半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)比常規(guī)電動(dòng)機(jī)日節(jié)電1 384.77÷50≈27.7 kW·h，節(jié)電效果明顯。

5.2" 效益評(píng)價(jià)

根據(jù)節(jié)約電費(fèi)、節(jié)省材料費(fèi)、產(chǎn)量影響等因素，對(duì)半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行效益評(píng)價(jià)，見(jiàn)表2。

從表2可以看出，單臺(tái)半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)年效益是10 456.07元，1臺(tái)半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)成本是60 000元，預(yù)計(jì)5.74 a可以收回成本。

60 000÷10 456.07≈5.74 a。

半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)10 a不可逆退磁率小于5%，設(shè)計(jì)壽命不低于20 a[2]，因此按使用10 a計(jì)算，預(yù)計(jì)可獲得經(jīng)濟(jì)效益4.45萬(wàn)元。

（10-5.74）×10 456.06÷10 000≈4.45萬(wàn)元。

6" 結(jié)束語(yǔ)

半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)具有安全系數(shù)高，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，操作方式與常規(guī)電動(dòng)機(jī)相同，無(wú)需單獨(dú)培訓(xùn)等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是重量大，需要專業(yè)人員安裝，安裝時(shí)間長(zhǎng)。其在使用中相比常規(guī)電動(dòng)機(jī)在滿足日常生產(chǎn)需要的同時(shí)，具有低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩、噪聲低等特點(diǎn)，減輕了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了停井次數(shù)，提高了開(kāi)井時(shí)率，降低了游梁式抽油機(jī)能耗，在油田生產(chǎn)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值，能夠促進(jìn)勝利油田實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 抽油機(jī)井用半直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行規(guī)范：Q/SH1020 2838—2021[S].2021.

[2] 直驅(qū)、半直驅(qū)式永磁同步電機(jī)通用技術(shù)條件：Q/SH1020 3038—2022[S].2022.