常規(guī)游梁平衡抽油機改直接平衡抽油機的設(shè)計與試驗

何勇（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

常規(guī)游梁平衡抽油機具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、性能穩(wěn)定等特點，但由于其承載能力是靠額定扭矩來實現(xiàn)的，因此與載荷匹配難度大，平衡調(diào)整受限制，能耗相對較高。常規(guī)游梁平衡抽油機傳統(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，無法從根本上解決傳動環(huán)節(jié)多、效率低以及動態(tài)平衡的問題。

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

1 游梁平衡抽油機改造方法

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

直線電動機初級（對應(yīng)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電動機的動子）在兩側(cè)次級（定子）內(nèi)做往復(fù)直線運動。初級上行時，此時抽油機為下沖程，靜平衡上行，光桿下行，電動機與平衡系統(tǒng)儲能；達到下死點電動機換向，此時抽油機為上沖程，初級下行，靜平衡下行，光桿上行，電動機和平衡系統(tǒng)釋放能量，如此往復(fù)來達到正常抽汲目的[2]。

2 直線電動機設(shè)計

2.1 推力計算

常規(guī)游梁平衡抽油機減速箱改造為直線電動機設(shè)計，由于游梁尾部也采用驢頭設(shè)計，因此，僅對直線電動機的對應(yīng)推力進行設(shè)計即可。

直線電動機結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電動機的切片處沿徑向展開，因此，磁場由圓周形演變?yōu)槠矫嬷本€形[3]。對于直線電動機，其產(chǎn)生的動力為直線運動方向上的推力。除考慮電動機電磁結(jié)構(gòu)的安全極限能力外，設(shè)計時需滿足拖動負載所需的推力可按下式[4]計算。

式中：Fst——直線電動機推力，N；

m1——相數(shù)；

I=1st（Z是總阻抗，Ω）；

R=e0（X是勵磁電抗，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——最大運行速度，m/s。

對比37 kW常規(guī)異步電動機與15 kW直線電動機可承受的滿載力矩。以CYJY10-3-53HB機型為例，直線電動機的扭矩也可達到常規(guī)異步電動機的最大扭矩值（3 700 kN·m）。按力臂1.2 m計算，得出常規(guī)游梁平衡抽油機的提升力為3 083 kN；額定功率為15 kW的直線電動機最大推力可達3 000 kN。

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

2.2 機械功率計算

直線電動機的機械功率可按下式[5]計算：

式中：Pm——電動機機械功率，kW；

v——電動機初級速度，m/s；m——推力系數(shù)；

E1——勵磁電勢，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 平衡配重計算

抽油機的平衡狀況直接影響直線電動機的負載水平、使用壽命和整機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。直線電動機抽油機將平衡配重與直線電動機設(shè)計為一體，其平衡調(diào)整可通過增加、減少配重塊的質(zhì)量來實現(xiàn)。同時，由于改造后直線電動機抽油機利用了電動機初級質(zhì)量作為配重的一部分，即平衡總質(zhì)量為配重質(zhì)量加上電動機初級質(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)，直線電動機抽油機所需的平衡質(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——動液面以上，泵柱塞全斷面積上油液質(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)場改造測試表明，與改造前相比有功節(jié)電率達16.86%，單井年節(jié)電2.18×104kWh，折合人民幣1.39萬元。系統(tǒng)效率提高4.21個百分點，提高了13.95%。同時研究表明，應(yīng)用直線電動機的系統(tǒng)效率目標(biāo)值可比常規(guī)游梁平衡抽油機高出8個百分點[5]（表 1）。

表1 1#井改造前后效果

圖2 應(yīng)用直線電動機改造前后示功圖對比

應(yīng)用直線電動機改造后，由測試示功圖對比載荷可知，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)用直線電動機后，振動載荷也相應(yīng)降低，運行更平穩(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、電動機、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1.39×104元計算，投資回收期為2.37年。

4 結(jié)論及認(rèn)識

1）應(yīng)用直接平衡直線電動機可替代常規(guī)游梁平衡抽油機上的減速器、四連桿機構(gòu)，進一步簡化結(jié)構(gòu)，使用可靠、操作維護方便，降低工人勞動強度。

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

3）直線電動機技術(shù)適用于油田閑置常規(guī)游梁平衡抽油機的改造，有利于降低改造成本和油井能耗?，F(xiàn)場試驗表明，改造后抽油機的有功節(jié)電率可達16.86%。