應(yīng)用抽油機(jī)用永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置效果分析

徐達(dá)（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

游梁式抽油機(jī)工作時(shí)，由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)、減速箱與四連桿機(jī)構(gòu)等，帶動(dòng)抽油管柱上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)在工作中極易出現(xiàn)下列問(wèn)題：因惡劣天氣因素易出現(xiàn)皮帶打滑、丟轉(zhuǎn)和燒毀現(xiàn)象，降低了抽油機(jī)機(jī)械傳動(dòng)效率，同時(shí)也影響生產(chǎn)時(shí)率；因皮帶傳動(dòng)會(huì)給減速箱輸入軸施加一個(gè)單邊拉力，造成減速箱軸承及支撐件受力不均問(wèn)題，從而出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，降低了零部件使用壽命；也增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)成本。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)上需考慮抽油機(jī)高負(fù)載啟動(dòng)問(wèn)題，致使出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率偏大而運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)低效運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，造成能耗的浪費(fèi)[1]。目前油田開發(fā)已進(jìn)入中后期，產(chǎn)液量不同程度的下降，調(diào)小地面參數(shù)工作量較大。針對(duì)問(wèn)題，某廠逐漸采用抽油機(jī)用永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置，提高機(jī)械傳動(dòng)效率，避免因調(diào)節(jié)參數(shù)、更換皮帶造成油井停產(chǎn)，影響產(chǎn)量和增加維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的[2]。

1 設(shè)備功能簡(jiǎn)介

抽油機(jī)用永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置由永磁半直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)、多功能調(diào)速控制箱、連接及支撐系統(tǒng)組成。電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)采用的是低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)，不存在滑差，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，不因負(fù)載加大而丟轉(zhuǎn)，因電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩大，平衡塊在任何位置都可以啟動(dòng)、停機(jī)。多功能調(diào)速控制箱是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)的一體化變頻控制箱，旋鈕控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，操控面板直接顯示電壓、電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

永磁半直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)直接安裝在減速箱輸入軸上，取消了皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)，圖1和圖2分別為安裝示意圖和變頻器操作界面。裝置工作時(shí)，通過(guò)控制箱控制電動(dòng)機(jī)啟停，在控制箱變頻控制作用下，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)[3]。

圖1 電動(dòng)機(jī)安裝位置圖

永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置具備如下特點(diǎn):

1）可以通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)頻率來(lái)調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖速，最低沖速可以達(dá)到0.1次/min，根本上解決間抽油井和貧油油井參數(shù)下調(diào)困難的問(wèn)題。

2）采用高效稀土永磁半直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行效率較高，低負(fù)載率時(shí)的效率明顯高于異步電動(dòng)機(jī)。

3）電動(dòng)機(jī)直接安裝在減速箱上，節(jié)省了減速裝置產(chǎn)生的傳動(dòng)損耗，無(wú)需更換、調(diào)節(jié)皮帶，解決了皮帶運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題。

圖2 變頻控制箱操作界面

4）控制系統(tǒng)具備過(guò)載、過(guò)壓、漏電等保護(hù)功能，可顯示電壓、電流等參數(shù)，采用按鈕、旋鈕控制啟停、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，操作簡(jiǎn)便。

根據(jù)抽油機(jī)用永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)抽油機(jī)井需符合以下條件。一是抽油機(jī)為大慶裝備制造生產(chǎn)，抽油機(jī)型號(hào)CYJY10-3-37HB、CYJ6-2.5-26HB、CYJY6-2.5-26HB、CYJ10-3-37HB，電動(dòng)機(jī)才能與減速軸匹配；二是減速軸對(duì)中情況良好，無(wú)擺動(dòng)和竄軸現(xiàn)場(chǎng)；三是抽油機(jī)電流平衡度80%以上，產(chǎn)液波動(dòng)較大井不宜應(yīng)用。

2 應(yīng)用效果分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2016年6月選取某廠A井進(jìn)行永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置安裝測(cè)試實(shí)驗(yàn)，A井是位于杏樹崗油田東部純油區(qū)的1口基礎(chǔ)井，抽油機(jī)機(jī)型為十型機(jī)，2006年安裝電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為YCHD280L-8/6高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)，額定功率為33/50 kW，功率因數(shù)0.217。在抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)功率匹配過(guò)程中，由于啟動(dòng)扭矩為正常運(yùn)行扭矩的3～4倍，現(xiàn)場(chǎng)更傾向于使用大功率電動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致使用電動(dòng)機(jī)額定功率偏大，功率因數(shù)偏低，此類現(xiàn)象較為普遍。為提高設(shè)備節(jié)能效率，降低單井能耗，針對(duì)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率偏大、功率因數(shù)偏低的問(wèn)題，通過(guò)考慮設(shè)備啟動(dòng)性能和投資回收期，制定出以下兩套方案：

方案一：選用高啟動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)配合變頻控制箱的軟啟動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備平穩(wěn)啟動(dòng)。計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率為22.4 kW。按照生產(chǎn)實(shí)際，可選用額定功率小一級(jí)的27 kW電動(dòng)機(jī)，平均費(fèi)用2.8萬(wàn)元，單井節(jié)電率6%。在控制箱方面：結(jié)合變頻控制箱的軟啟動(dòng)和調(diào)速功能，能夠減小啟動(dòng)電流沖擊，提高功率因數(shù)，控制箱平均費(fèi)用3.2萬(wàn)元，平均節(jié)電率8%。費(fèi)用合計(jì)6萬(wàn)元，節(jié)電率14%。節(jié)電費(fèi)用按照0.637 1元/kWh計(jì)算，估算投資回收期6.09年。

方案二：選用永磁半直驅(qū)裝置，運(yùn)用永磁電動(dòng)機(jī)配合變頻控制箱軟啟動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)和高效運(yùn)轉(zhuǎn)。選用27 kW半直驅(qū)設(shè)備，費(fèi)用8萬(wàn)元，節(jié)電率25%。半直驅(qū)裝置具有調(diào)參功能，且取消皮帶傳動(dòng)，節(jié)省皮帶費(fèi)用。按照年使用皮帶數(shù)量4條，單價(jià)660元/條計(jì)算，估算投資回收期4.36年。

根據(jù)投資效益估算結(jié)果，選用方案二中永磁半直驅(qū)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在不改變地面參數(shù)的情況下，進(jìn)行永磁半直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置和原設(shè)備應(yīng)用效果數(shù)據(jù)，系統(tǒng)效率由原有的27.62%提升至36.54%，提高9個(gè)百分點(diǎn)；百米噸液?jiǎn)魏挠?.99 kWh/100 m·t降低至0.75 kWh/100 m·t，綜合節(jié)電率達(dá)到27.6%。分析認(rèn)為節(jié)電原因主要是由于降低了一級(jí)裝機(jī)功率、消除了皮帶傳動(dòng)損耗、減少了電動(dòng)機(jī)鐵損和銅損。A井安裝永磁半直驅(qū)裝置前后效果見表1。

2.2 推廣應(yīng)用

持續(xù)跟蹤A井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，設(shè)備應(yīng)用一年中無(wú)啟動(dòng)困難現(xiàn)象，且節(jié)電效果明顯。在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2017年，根據(jù)抽油機(jī)用永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置取消皮帶傳動(dòng)、軟啟動(dòng)的工作特點(diǎn)，在X區(qū)塊重點(diǎn)針對(duì)載荷大，易斷皮帶井進(jìn)行推廣。

2017年在該廠選取不同產(chǎn)液級(jí)別井，進(jìn)行永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置推廣，累積推廣81套；并開展低產(chǎn)井和高產(chǎn)井應(yīng)用效果對(duì)比，為保障設(shè)備應(yīng)用效果具有可比性，測(cè)試條件為地面參數(shù)一致，舉升高度基本接近，正常運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)一周以上。一是高產(chǎn)井應(yīng)用效果分析：隨機(jī)選取15口平均日產(chǎn)液量37.58 t/d、沖程2.98 m、沖速6次/min井進(jìn)行節(jié)電效果測(cè)試，據(jù)測(cè)試顯示，對(duì)比原電動(dòng)機(jī)和現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)效率，應(yīng)用抽油機(jī)用永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置有功節(jié)電率20.94%，無(wú)功節(jié)電率78.68%，綜合節(jié)電率24.08%[4-5]。統(tǒng)計(jì)效果見表2。二是低產(chǎn)井應(yīng)用效果分析：隨機(jī)選取3口平均日產(chǎn)液量1.84 t/d、沖程1 m、沖速2.13次/min，進(jìn)行低產(chǎn)井節(jié)電效果測(cè)試，應(yīng)用抽油機(jī)用永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置有功節(jié)電率5.53%，無(wú)功節(jié)電率53.51%，綜合節(jié)電率11.47%（表3）。分析設(shè)備節(jié)電效果原因：除去皮帶傳動(dòng)2%～5%的電量損耗，通過(guò)提高電動(dòng)機(jī)效率從而獲得節(jié)電率為19%～22%，說(shuō)明半直驅(qū)裝置低負(fù)載率時(shí)的效率優(yōu)于異步電動(dòng)機(jī)效率。

表1 A井安裝永磁半直驅(qū)裝置前后效果對(duì)比

按照上述測(cè)試數(shù)據(jù)，推廣應(yīng)用81套設(shè)備年可節(jié)電165.22×104kWh。設(shè)備平均單價(jià)8萬(wàn)元，綜合節(jié)省皮帶費(fèi)用和節(jié)電費(fèi)用，以及后期維護(hù)費(fèi)用，投資回收期為5.11年。截止目前，抽油機(jī)用永磁半直驅(qū)同步拖動(dòng)裝置使用時(shí)間超過(guò)一年，設(shè)備無(wú)損壞情況發(fā)生，節(jié)電效果明顯，且取消皮帶傳動(dòng)，節(jié)省了皮帶費(fèi)用，減少了皮帶更換工作量，具有明顯的節(jié)能效果。

3 結(jié)論

文中在對(duì)永磁半直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置的組成、特點(diǎn)和功能分析的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)及生產(chǎn)效果進(jìn)行分析并得出以下結(jié)論：永磁半直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置解決了載荷大、沖速高導(dǎo)致皮帶磨損嚴(yán)重、斷裂頻繁的問(wèn)題；永磁半直驅(qū)裝置相對(duì)于目前應(yīng)用的異步電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)力矩大，運(yùn)轉(zhuǎn)效率高的優(yōu)勢(shì)；永磁半直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置取消皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)，利用超薄機(jī)身，直接驅(qū)動(dòng)減速箱輸入軸，系統(tǒng)效率提高5個(gè)百分點(diǎn)以上，平均節(jié)電率在24%。

表2 15口高產(chǎn)井安裝永磁半直驅(qū)裝置前后效果對(duì)比

表3 3口低產(chǎn)井安裝永磁半直驅(qū)裝置前后效果對(duì)比