抽油機永磁耦合器的節能分析

彭芳慶 張登

（1.大慶油田裝備制造集團；2.中國石油集團測井有限公司國際公司）

永磁渦流柔性傳動技術從美國引進我國，目前在我國已逐漸被各行各業用戶接受，已成功應用于冶金、石化、采礦、發電、水泥、紙漿、海運等行業。永磁產品這一新興產業經過近5年來的市場培養和產品完善，逐漸為電廠、石化、化工、鋼鐵、冶金、水處理等各行各業所接受，但是目前所有的應用都是作為聯軸器或調速器應用于離心式負載，針對抽油機這一特殊應用場合，目前市場中還沒有進行研究推廣[1]。

1 背景及介紹

1.1 抽油機工作狀態下存在的問題

抽油機是有桿抽油系統中最主要舉升設備，其結構簡單，制造容易，使用方便，長期在油田全天運轉，使用可靠。它的工作原理是：由動力機供給動力，經減速器將動力機的高速轉動變為抽油機曲柄的低速轉動，并由曲柄—連桿—游梁機構將旋轉運動變為抽油機驢頭的上、下往復運動，經懸繩器總成帶動深井泵工作。游梁式抽油機作為我國油田的主要采油機械，目前正常工作狀態下的抽油機存在的問題主要有[2-3]：轉動慣量大，且帶載啟動；要克服下行程中的反向發電沖擊；要在不降低產量前提下的節能。

以上3點決定了配置較大功率的電動機才能提供足夠的啟動力矩，然而正常工作時需要的力矩又比較小，而這種低負荷的情況不但使得電動機裝機成本提高，而且電動機的功率因數降低、效率也較低，導致電能的巨大浪費，而在不降低產量前提下，不降低電動機裝機功率，理論上是不存在有功節能空間的[4]。

1.2 抽油機永磁耦合器應用

從游梁式抽油機電動機節能及改善抽油機運行狀態的角度出發，根據日產油量、油井油壓、電動機額定功率、額定轉速、運轉電壓、功率因數、啟動電流、運行電流、抽油機功率、減速箱速比等一系列實際數據，經科學計算等[5]，設計并應用永磁耦合器，代替原有抽油機皮帶輪，確定更為準確的油田電動機的選型方案。將永磁耦合器引入到電動機對抽油機的驅動環節，在不降低單位時間產能的前提下，利用磁場作用傳遞轉矩，電動機與負載之間柔性連接，實現抽油機的延時啟動，緩沖上下沖程換向過程的機械沖擊，提高抽油機運行穩定性，延長設備使用壽命，降低電動機裝機容量，實現油田抽油機節能降耗[6]。

2 抽油機永磁耦合器技術原理

2.1 結構

抽油機永磁耦合器主要是由永磁轉子、導體轉子、皮帶輪、軸承等零部件組成[7]，永磁耦合器結構見圖1。永磁轉子是安裝在轉盤上的鑲嵌有永磁磁鋼的環形套筒組件；導體轉子安裝在轉盤上的鑲嵌有銅導體的環形套筒組件。當導體轉子隨電動機軸旋轉時，與電動機同步轉速，此時導體轉子的銅導體切割磁力線，在導體表面形成渦電流，渦電流產生的感應磁場與永磁轉子固有磁場相互作用，傳遞扭矩，從而導體轉子拖動永磁轉子同向旋轉。

圖1 永磁耦合器結構

將永磁轉子以剛性鍵槽（電動機聯結標準）方式安裝在電動機軸上，導體轉子與皮帶輪剛性連接，而皮帶輪通過軸承安裝在主軸上，實現了導體轉子與永磁轉子同軸的同時，由二者之間的軸承實現轉速差[8]。

2.2 工作原理

永磁耦合器應用在抽油機驅動環節中，電動機側安裝導體轉子，導體轉子內圈安裝銅導體環；皮帶輪側安裝永磁轉子，永磁轉子內安裝永磁體。結構上導體轉子的銅導體內圈與永磁轉子的外圈徑向正投影，但不接觸，二者之間設計出一定的間隙，此間隙也被稱為“氣隙”，因此實現了電動機與負載由原來的硬（機械）連接變為軟（柔性）連接[9]。同時，隨著負載的變化，永磁轉子和導體轉子的轉速會發生變化，二者之間的轉速差稱為“滑差”[10]，這也是永磁耦合器的“柔性”所在。當電動機不通電時，導體轉子靜止，磁力線通過導體，沒有切割磁力線，不產生渦電流，永磁轉子靜止。當導體轉子隨電動機軸旋轉時，與電動機同步轉速，此時導體轉子的銅導體切割磁力線，在導體表面形成渦電流，渦電流產生的感應磁場與永磁轉子固有磁場相互作用，傳遞扭矩，從而導體轉子拖動永磁轉子同向旋轉。

3 現場應用

在大慶油田某采油廠5型抽油機配套一臺電動機功率為7.5kW的永磁耦合器，安裝過程簡單，只需拆掉原皮帶輪，在進行安裝即可。自2018年用于節能改造安裝至今，抽油機和永磁耦合器工作狀態穩定，運轉良好，7.5kW永磁耦合器現場安裝和使用情況見圖2。因為利用了磁渦流感應磁場耦合的軟連接取代傳統的機械硬連接，在現場啟動時不僅實現負載柔性啟動，并且降低了負載的沖擊振動；大慶油田某采油廠原5型抽油機原配備電動機為22kW，安裝永磁耦合器后，降低電動機裝機功率，電動機降檔應用7.5kW，提高電動機功率因數，實現了節能。

圖2 7.5kW永磁耦合器現場安裝與使用情況

某采油廠抽油機現場測試的安裝永磁耦合器前后節能測試數據見表1，經實測計算該臺7.5kW永磁耦合器綜合節電率高達27.62%，節能效果突出，同時永磁耦合器的平均使用壽命在25a左右，所產生的經濟效益十分顯著。

表1 永磁耦合器前后節能測試數據

4 經濟效益分析

某采油廠CYJ5-2.5-26HB抽油機應用永磁耦合器具有顯著的節電經濟效益，原來每年耗電量為電費約為104502kWh，電費以0.7元/kWh計算，年電費約為73151.57元。安裝永磁耦合器后，全年將節電28864kWh，節電率為27.62%，節省20204.46元，節能效果顯著。

5 結語

1）永磁耦合器是利用永磁渦流技術，應用在抽油機電動機驅動環節，改善抽油機運行狀態一種節能產品。實現了抽油機的柔性啟動，使小功率電動機即可順利啟動抽油機，同時降低了抽油機負載的沖擊振動，且無沖擊影響；同時可選用低功率電動機，提高電動機功率因數，節能率可達到10%以上，設備本身可靠性高，壽命長。

2）抽油機啟動電流大及采油工況不穩定，原電動機的選用功率余量較大，應用永磁耦合器雖然采用了小功率電動機，但遇到負載驟然增大的情況也不會造成電動機堵轉燒損，也延長皮帶及傳動設備使用壽命。

3）從大慶油田某采油廠抽油機井5型機節能改造永磁耦合器的使用情況看，在產液量不變的情況下，設備運行穩定，傳動平緩，綜合節電率為27.62%，節能收益明顯，具有非常好的推廣應用價值。

克拉瑪依油田風城采油作業區