永磁復合電動機直驅游梁式抽油機節(jié)能技術的試驗應用

劉克讓（中國石油天然氣集團公司節(jié)能技術監(jiān)測評價中心）

引言

游梁式抽油機有原動機、皮帶、減速齒輪箱三個旋轉驅動環(huán)節(jié)。原動機通常為感應電動機，雖然額定效率能達到90%，但由于抽油機特殊的工況，每一個沖程內(nèi)負載均呈大范圍變化，而感應電動機輕載時的效率及功率因數(shù)很低，因此平均效率和功率因數(shù)不高，一般平均效率不超過80%，平均功率因數(shù)不超過0.5。

減速齒輪箱通常由3～4 級人字齒輪或斜齒輪組成，減速比在25～45，額定效率在90%～95%。但是減速齒輪箱需要定期更換潤滑油，在高溫、嚴寒及晝夜溫差大等環(huán)境下，密封容易老化，產(chǎn)生滲油、漏油以及滲入地表的環(huán)境污染問題。

皮帶作為連接原動機及減速箱的環(huán)節(jié)，既起到減速的作用，又起到緩沖的作用，有時也通過調(diào)節(jié)皮帶輪的大小來間接調(diào)節(jié)沖速，是游梁式抽油機非常重要的部件。皮帶輪的效率在恒載時也能達到90%，但是在變載時會降低，特別是皮帶非常容易磨損，隨著磨損程度的增加，效率會進一步降低，通常一二個月就需要更換皮帶。

為了提高系統(tǒng)效率，提出了多種節(jié)能方法，例如雙功率感應電動機、高轉差率感應電動機、變頻調(diào)速感應電動機、自啟動永磁同步電動機、變頻調(diào)速永磁同步電動機等。這些節(jié)能改造措施均可以在一定程度上提升系統(tǒng)效率，但諸如環(huán)節(jié)較多、維護頻繁、噪聲較大等問題依然沒有得到解決或改善。

1 游梁式抽油機直驅技術

直驅游梁式抽油機取消了傳統(tǒng)游梁式抽油機的原動機、皮帶及減速齒輪箱三個旋轉驅動環(huán)節(jié)，換上1 臺低速大轉矩永磁復合電動機直接驅動游梁式抽油機的連桿進行采油作業(yè)。

直驅游梁式抽油機只有永磁復合電動機一個旋轉驅動環(huán)節(jié)。

圖1 游梁式抽油機直驅現(xiàn)場

圖1 中綠色電動機為永磁復合電動機，替換普通減速箱。與機械減速齒輪箱相比，永磁復合電動機結構對稱，不存在軸向承載問題，主副軸承采用圓柱滾子軸承，徑向承載能力提高，同時內(nèi)部高速軸承轉速每分鐘只有幾十轉，遠低于機械減速齒輪箱的高速軸承轉速，壽命大大延長，理論壽命達15年以上。體積與同轉矩規(guī)格的減速齒輪箱相當，遠小于普通低速電動機，因此，對傳統(tǒng)游梁式抽油機進行直驅改造時不需要改變原有的基礎設施，可以直接按照原有的減速齒輪箱規(guī)格設計主軸及底座，直接在原基座上安裝。

2 永磁復合電動機

2.1 結構特點與工作原理

游梁式抽油機直驅技術的關鍵是滿足生產(chǎn)需要的電動機，即永磁復合電動機。2001年，英國學者K.Atallah 提出了一種基于磁場調(diào)制原理的高性能同心式磁性齒輪，關鍵之處在于內(nèi)外轉子之間引入了調(diào)磁鐵芯，使得少極數(shù)轉子產(chǎn)生的高速旋轉磁場經(jīng)過調(diào)磁鐵芯調(diào)制后，在外氣隙中形成與多極數(shù)外轉子相同極對數(shù)的低速諧波磁場，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的低速大轉矩輸出。由于所有磁鋼同時參與作用，該磁性齒輪與傳統(tǒng)內(nèi)外嚙合式磁性齒輪相比，轉矩密度大大提高，能夠與機械齒輪相媲美；同時，又具有機械齒輪所不具備的無潤滑、無接觸、自保護等優(yōu)點，因而近年來得到國內(nèi)外眾多學者的關注。

同心式磁性齒輪通常由磁鋼內(nèi)層、鐵心的調(diào)磁環(huán)和磁鋼的外層三部分組成，它們之間形成兩層氣隙（圖2）。與機械齒輪不同的是，磁性齒輪的各個運動部件互不接觸，能量通過磁場進行傳遞。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參與能量傳遞，傳遞效率大大提高。

圖2 永磁復合電動機的結構

2.2 技術特點

1）永磁復合電動機減少了驅動環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)故障率，且無需更換潤滑油，提高了設備的可靠性，增加了設備的連續(xù)工作時間。

2）永磁復合電動機不僅具有非常緊湊的結構，而且無需任何冷卻措施，額定效率超過90%，25%以上負載范圍內(nèi)的平均效率亦達到85%。23 kW的永磁復合電動機可以代替45 kW 的普通感應電動機，在電動機負載不變的情況下，降低功率等級等于提高電動機負載率[1]。根據(jù)電動機的運行特點，負載越接近額定功率，效率越高。

3）自然冷卻條件下，永磁復合電動機的溫升低，為20 K，保證了永磁復合電動機長壽命、穩(wěn)定的運行。

3 試驗效果

3.1 示功圖分析

因為示功圖是在水力模擬井上取得，井下狀態(tài)穩(wěn)定，所以示功圖前后變化不大。

同一井況條件下，永磁復合電動機直驅抽油機技術減少了懸點載荷的波動，最大載荷由69.74 kN減小到65.07 kN。

3.2 能耗分析

從理論上計算，抽油機直驅因為沒有皮帶與減速箱的損耗，同時電動機的效率提高，有功節(jié)電率應該在10%以上，與測試結果相符。

為了提高測試的準確度，對比試驗選用中國石油天然氣集團公司節(jié)能監(jiān)測評價中心能效檢測站內(nèi)的標準井進行測試。因為此標準井在關鍵測點配置了高精度傳感器，可檢測抽油機系統(tǒng)從高壓側到井口的各項參數(shù)，所以保證了測試結果的精度要求。測試及計算方法按照SY/T 6422—2008 《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》和Q/SY 101—2007《抽油機及輔助配套設備節(jié)能檢測和評價方法》的相關要求，平均綜合節(jié)電率為16.53%。

4 結論

1）永磁復合電動機直驅抽油機已經(jīng)在采油廠連續(xù)無故障運行2年以上，說明此方案是可靠的。

2）游梁式抽油機采用永磁復合電動機直驅是比較理想的節(jié)能方式，節(jié)約了人力與材料成本，為游梁式抽油機節(jié)能技術的發(fā)展提出了一種新思路。

[1]王釗,秦英,李權,等.抽油機節(jié)能電動機的應用分析[J].石油礦場機械,2007,36(8):58-61.