常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)改直接平衡抽油機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

何勇（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，但由于其承載能力是靠額定扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此與載荷匹配難度大，平衡調(diào)整受限制，能耗相對(duì)較高。常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)傳統(tǒng)改造主要有下偏杠鈴改造、雙驢頭改造等方式，但由于不改變其傳統(tǒng)的平衡方式，因此，無(wú)法從根本上解決傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、效率低以及動(dòng)態(tài)平衡的問(wèn)題。

結(jié)合目前直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展尤其是大推力的實(shí)現(xiàn)，可以將直線電動(dòng)機(jī)用于常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)的改造，替換原有旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，再通過(guò)機(jī)械方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換模式，即：采取直接平衡方式實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)所需的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，克服傳統(tǒng)四連桿機(jī)構(gòu)效率低的不足，可根據(jù)需要調(diào)整懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律[1]。

1 游梁平衡抽油機(jī)改造方法

保留原抽油機(jī)游梁主體結(jié)構(gòu)，在游梁尾部，采用三相永磁同步直線電動(dòng)機(jī)，直接與游梁尾部驢頭相連，替代常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)上的減速器、四連桿機(jī)構(gòu)，平衡配重與電動(dòng)機(jī)初級(jí)在電動(dòng)機(jī)轎廂內(nèi)同步設(shè)計(jì)（圖1）。

直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)（對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子）在兩側(cè)次級(jí)（定子）內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。初級(jí)上行時(shí)，此時(shí)抽油機(jī)為下沖程，靜平衡上行，光桿下行，電動(dòng)機(jī)與平衡系統(tǒng)儲(chǔ)能；達(dá)到下死點(diǎn)電動(dòng)機(jī)換向，此時(shí)抽油機(jī)為上沖程，初級(jí)下行，靜平衡下行，光桿上行，電動(dòng)機(jī)和平衡系統(tǒng)釋放能量，如此往復(fù)來(lái)達(dá)到正常抽汲目的[2]。

2 直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 推力計(jì)算

常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)減速箱改造為直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，由于游梁尾部也采用驢頭設(shè)計(jì)，因此，僅對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的對(duì)應(yīng)推力進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。

直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的切片處沿徑向展開(kāi)，因此，磁場(chǎng)由圓周形演變?yōu)槠矫嬷本€形[3]。對(duì)于直線電動(dòng)機(jī)，其產(chǎn)生的動(dòng)力為直線運(yùn)動(dòng)方向上的推力。除考慮電動(dòng)機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的安全極限能力外，設(shè)計(jì)時(shí)需滿足拖動(dòng)負(fù)載所需的推力可按下式[4]計(jì)算。

式中：Fst——直線電動(dòng)機(jī)推力，N；

m1——相數(shù)；

I=1st（Z是總阻抗，Ω）；

R=e0（X是勵(lì)磁電抗，Ω）；m

KP、KQ——橫向邊緣效應(yīng)電磁功率系數(shù)；

DFa、DFj——縱向邊緣效應(yīng)電磁力系數(shù)；

S——滑差率，%；

G——品質(zhì)因數(shù)；

Vs——最大運(yùn)行速度，m/s。

對(duì)比37 kW常規(guī)異步電動(dòng)機(jī)與15 kW直線電動(dòng)機(jī)可承受的滿載力矩。以CYJY10-3-53HB機(jī)型為例，直線電動(dòng)機(jī)的扭矩也可達(dá)到常規(guī)異步電動(dòng)機(jī)的最大扭矩值（3 700 kN·m）。按力臂1.2 m計(jì)算，得出常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)的提升力為3 083 kN；額定功率為15 kW的直線電動(dòng)機(jī)最大推力可達(dá)3 000 kN。

按相同載荷設(shè)計(jì)，額定功率為15 kW的直線電動(dòng)機(jī)可滿足額定功率為37 kW的常規(guī)10型游梁平衡抽油機(jī)的載荷需要。

2.2 機(jī)械功率計(jì)算

直線電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率可按下式[5]計(jì)算：

式中：Pm——電動(dòng)機(jī)機(jī)械功率，kW；

v——電動(dòng)機(jī)初級(jí)速度，m/s；m——推力系數(shù)；

E1——?jiǎng)?lì)磁電勢(shì)，V；

Rs——電樞繞組每相電阻，Ω；

X——電樞繞組每相阻抗，Ω；U——電源電壓，V。

2.3 平衡配重計(jì)算

抽油機(jī)的平衡狀況直接影響直線電動(dòng)機(jī)的負(fù)載水平、使用壽命和整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)將平衡配重與直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為一體，其平衡調(diào)整可通過(guò)增加、減少配重塊的質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于改造后直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)利用了電動(dòng)機(jī)初級(jí)質(zhì)量作為配重的一部分，即平衡總質(zhì)量為配重質(zhì)量加上電動(dòng)機(jī)初級(jí)質(zhì)量，因此可減少額外配重使用。

根據(jù)下泵深度、泵徑等參數(shù)，直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)所需的平衡質(zhì)量可由下式求得：

式中：G——平衡質(zhì)量，kg；

P′桿——抽油桿在油液中的質(zhì)量，kg；

P′油——?jiǎng)右好嬉陨希弥珨嗝娣e上油液質(zhì)量，kg；

g——每米抽油桿在油液中的質(zhì)量，kg；L——泵掛深度，m；

H——液體有效提升高度，m；

γ——油液密度，kg/m3；

F——泵柱塞橫截面積，m2。

3 改造效果

現(xiàn)場(chǎng)改造測(cè)試表明，與改造前相比有功節(jié)電率達(dá)16.86%，單井年節(jié)電2.18×104kWh，折合人民幣1.39萬(wàn)元。系統(tǒng)效率提高4.21個(gè)百分點(diǎn)，提高了13.95%。同時(shí)研究表明，應(yīng)用直線電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)效率目標(biāo)值可比常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)高出8個(gè)百分點(diǎn)[5]（表 1）。

表1 1#井改造前后效果

圖2 應(yīng)用直線電動(dòng)機(jī)改造前后示功圖對(duì)比

應(yīng)用直線電動(dòng)機(jī)改造后，由測(cè)試示功圖對(duì)比載荷可知，改造前的最大載荷與最小載荷差值為23.4 kN，改造后為21.3 kN，降低8.9%（表2）。最大載荷由56.0 kN下降到53.1 kN，下降了5.6%。應(yīng)用直線電動(dòng)機(jī)后，振動(dòng)載荷也相應(yīng)降低，運(yùn)行更平穩(wěn)（圖2）。

表2 1#井改造前后載荷變化

目前單井投入改造成本為11.5×104元，考慮到替換掉的平衡塊、減速箱、電動(dòng)機(jī)、曲柄等可以再利用，折算后單井改造成本是3.3×104元。按單井節(jié)約電費(fèi)1.39×104元計(jì)算，投資回收期為2.37年。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）應(yīng)用直接平衡直線電動(dòng)機(jī)可替代常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)上的減速器、四連桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，使用可靠、操作維護(hù)方便，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）同常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)相比，改造后直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)具有系統(tǒng)能耗低、傳動(dòng)效率高、平衡效果好和振動(dòng)載荷小的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)改造后裝機(jī)容量可降低1/3～1/2。

3）直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)適用于油田閑置常規(guī)游梁平衡抽油機(jī)的改造，有利于降低改造成本和油井能耗。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，改造后抽油機(jī)的有功節(jié)電率可達(dá)16.86%。