半直驅永磁同步電動機在油田生產中的應用

摘" 要：游梁式抽油機，具有結構簡單，操作方便，野外應用適應性強等特點，但存在皮帶傳動效率損失、能耗高、有一定操作安全風險等問題。半直驅永磁同步電動機無傳動皮帶，將電動機的輸出轉矩直接傳遞給抽油機減速箱，高效節能，使用安全，符合油田綠色低碳可持續發展的要求。

關鍵詞：半直驅；電動機；節能；安全；油田

中圖分類號：TM351" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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“碳達峰、碳中和”大背景下，勝利油田成立“雙碳”工作專班，上下聯動，不斷提高能源利用效率，降低能耗和碳排放，實現綠色低碳可持續發展。游梁式抽油機是勝利油田常用的采油機械設備，是油田耗能較大的設備，電動機與減速箱之間應用皮帶傳動，具有傳動方式簡單、皮帶易更換、成本低等優點，但也存在皮帶易打滑、有傳動損耗、更換頻繁等缺點。

1" 常規電動機傳動方式

在勝利油田應用的電動機中，不論是三相異步電動機、永磁電動機、永磁同步電動機和勵磁電動機，電動機輸出端都是皮帶輪。電動機皮帶輪與游梁式抽油機減速箱皮帶輪之間通過皮帶連接，將電動機的動能傳遞給減速箱。

2" 皮帶傳動的游梁式抽油機存在的問題

2.1" 皮帶傳動的游梁式抽油機能耗高

目前12型游梁式抽油機根據負載使用22 kW或30 kW電動機，電動機轉速為500～980 r/min，日耗電量116 kW·h；驢頭空載時，電動機帶動抽油機運轉困難；皮帶平均每3月更換一次，每次更換時間大約在30 min，更換頻繁，單次更換時間較長，降低了抽油機的開井時率。

2.2" 皮帶傳動效率低、安全性差

電動機與減速箱之間通過皮帶傳動，皮帶與皮帶輪之間是滑動摩擦，傳動效率低，特別是雨季時期，皮帶易打滑，甚至燒斷，需要定時巡檢，不定時緊皮帶或更換皮帶。在緊皮帶或更換皮帶過程中易被皮帶擠傷，存在安全風險。

3" 人力資源優化矛盾

勝利油田實施改革后，人力資源不斷優化，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，出現人力資源優化與生產工作量之間的矛盾。為了適應油田改革綠色發展的需求，因此需要在人力資源優化的同時，減輕一線職工的生產工作量，提高勞動效率。

4" 半直驅永磁同步電動機的應用

4.1" 技術簡介

半直驅永磁同步電動機外形呈扁平狀，具有低轉速、大轉矩的特點，直接安裝在抽油機減速箱輸入軸處，沒有游梁式抽油機減速箱皮帶輪與電動機皮帶輪之間的皮帶傳動，實現電動機對游梁式抽油機減速箱的直接驅動，是一種新的驅動工藝。

4.2" 技術特點對比

1）半直驅永磁同步電動機設計極數在36～64極，高極數，低速運轉平穩，電動機溫度低。常規電動機極數在6～12極，低極數，高速運轉，電動機溫度高。

2）半直驅永磁同步電動機額定轉速160 r/min，通過變頻器對轉速調節可實現10～300 r/min，實現游梁式抽油機沖次的調節，低速震動小，噪音低，噪聲分貝是28 dB左右。常規電動機額定轉速在500～980 r/min，高速震動大，噪音高，平均分貝是78 dB。

3）半直驅永磁同步電動機額定轉矩2 300 N·m，低速轉矩大，調速范圍廣，過載能力強。常規電動機轉速高，過載能力弱。

4）半直驅永磁同步電動機直接安裝在減速箱輸入軸處，電動機直接驅動減速箱運轉，消除了皮帶傳動過程中的傳動損耗。常規電動機皮帶松緊合適，下皮帶傳動效率是90%，存在皮帶傳動損耗。

5）半直驅永磁同步電動機為全密封結構，傳動裝置內置，完全防止外物侵入，因此對職工的機械傷害概率為零。常規電動機皮帶輪與皮帶都是外置傳動，易被外物侵入，會對設備或職工造成傷害。

6）半直驅永磁同步電動機軸孔及軸套內徑與減速箱軸外徑與減速箱軸外徑公差匹配，減速箱內齒輪與輸入軸完好、無擺動、無松框和竄軸現象[1]。常規電動機不受游梁式抽油機減速箱竄軸問題的影響。

4.3" 維護保養

1）半直驅永磁同步電動機日常保養方便，與常規電動機相同，通過黃油嘴，每半年加注一次ZL-3鋰基潤滑脂，保養一次需要時間5～10 min。

2）半直驅永磁同步電動機直接安裝在抽油機輸入軸處，電動機直接驅動減速箱運轉。常規電動機通過皮帶傳動帶動抽油機減速箱運轉，皮帶輪與皮帶配合將電動機的高速運轉變為低速運轉，需要定期對皮帶松緊度進行調節，皮帶磨損或皮帶輪損壞都需要停井更換，因此半直驅永磁同步電動機比常規電動機日常維護工作量少、時間短。

3）常規電動機的皮帶或皮帶輪每日需要檢查，發現皮帶松，要及時緊皮帶；發現皮帶磨損或皮帶輪損壞，要及時更換皮帶或皮帶輪。在緊皮帶和更換皮帶及皮帶輪過程中存在擠傷風險。半直驅永磁同步電動機非皮帶傳動，因此無此類維護更換工作，不存在擠傷風險。

4）半直驅永磁同步電動機發熱低，設備無風扇，采取自然冷卻方式。常規電動機采取風扇強制風冷降溫，風扇損壞時需要更換風扇。

4.4" 半直驅電動機缺點

4.4.1" 安裝時間長、技術要求高

半直驅永磁同步電動機重量大，安裝在減速箱輸入軸處，安裝位置高，精度要求高，需要專業廠家安裝或更換，安裝一次需要時間2 h。常規電動機重量較輕，安裝在抽油機底座滑軌上，安裝位置低，安裝工藝簡單，技術要求低，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，過載保護要求高

半直驅永磁同步電動機與減速箱之間是軸連接，屬于硬連接，當游梁式抽油機遇到卡阻時，半直驅永磁同步電動機也將遇到卡阻，為防止燒電動機，過載保護必須靈敏可靠。常規電動機與減速箱之間是皮帶連接，屬于軟連接，當游梁式抽油機遇到卡阻時，在過載保護失靈時，皮帶將打滑甚至燒掉，防止燒電動機。

5" 現場應用效果

5.1" 節能效果

河口采油廠管理四區安裝了50臺半直驅永磁同步電動機，安裝前后對比情況見表1。

從表1可以看出，通過安裝半直驅永磁同步電動機，游梁式抽油機噸液耗電由4.45 kW·h/t下降到3.53 kW·h/t，噸液耗電下降0.92 kW·h/t，平均單臺半直驅永磁同步電動機比常規電動機日節電1 384.77÷50≈27.7 kW·h，節電效果明顯。

5.2" 效益評價

根據節約電費、節省材料費、產量影響等因素，對半直驅永磁同步電動機進行效益評價，見表2。

從表2可以看出，單臺半直驅永磁同步電動機年效益是10 456.07元，1臺半直驅永磁同步電動機成本是60 000元，預計5.74 a可以收回成本。

60 000÷10 456.07≈5.74 a。

半直驅永磁同步電動機10 a不可逆退磁率小于5%，設計壽命不低于20 a[2]，因此按使用10 a計算，預計可獲得經濟效益4.45萬元。

（10-5.74）×10 456.06÷10 000≈4.45萬元。

6" 結束語

半直驅永磁同步電動機具有安全系數高，維護保養簡單，操作方式與常規電動機相同，無需單獨培訓等優點；缺點是重量大，需要專業人員安裝，安裝時間長。其在使用中相比常規電動機在滿足日常生產需要的同時，具有低轉速、高轉矩、噪聲低等特點，減輕了職工勞動強度，減少了停井次數，提高了開井時率，降低了游梁式抽油機能耗，在油田生產中具有較高的應用價值，能夠促進勝利油田實現綠色低碳可持續發展。

參考文獻：

[1] 抽油機井用半直驅永磁同步電動機運行規范：Q/SH1020 2838—2021[S].2021.

[2] 直驅、半直驅式永磁同步電機通用技術條件：Q/SH1020 3038—2022[S].2022.