抽油機(jī)永磁耦合器的節(jié)能分析

彭芳慶 張登

（1.大慶油田裝備制造集團(tuán)；2.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司國際公司）

永磁渦流柔性傳動(dòng)技術(shù)從美國引進(jìn)我國，目前在我國已逐漸被各行各業(yè)用戶接受，已成功應(yīng)用于冶金、石化、采礦、發(fā)電、水泥、紙漿、海運(yùn)等行業(yè)。永磁產(chǎn)品這一新興產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近5年來的市場(chǎng)培養(yǎng)和產(chǎn)品完善，逐漸為電廠、石化、化工、鋼鐵、冶金、水處理等各行各業(yè)所接受，但是目前所有的應(yīng)用都是作為聯(lián)軸器或調(diào)速器應(yīng)用于離心式負(fù)載，針對(duì)抽油機(jī)這一特殊應(yīng)用場(chǎng)合，目前市場(chǎng)中還沒有進(jìn)行研究推廣[1]。

1 背景及介紹

1.1 抽油機(jī)工作狀態(tài)下存在的問題

抽油機(jī)是有桿抽油系統(tǒng)中最主要舉升設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，使用方便，長(zhǎng)期在油田全天運(yùn)轉(zhuǎn)，使用可靠。它的工作原理是：由動(dòng)力機(jī)供給動(dòng)力，經(jīng)減速器將動(dòng)力機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槌橛蜋C(jī)曲柄的低速轉(zhuǎn)動(dòng)，并由曲柄—連桿—游梁機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槌橛蜋C(jī)驢頭的上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)懸繩器總成帶動(dòng)深井泵工作。游梁式抽油機(jī)作為我國油田的主要采油機(jī)械，目前正常工作狀態(tài)下的抽油機(jī)存在的問題主要有[2-3]：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，且?guī)лd啟動(dòng)；要克服下行程中的反向發(fā)電沖擊；要在不降低產(chǎn)量前提下的節(jié)能。

以上3點(diǎn)決定了配置較大功率的電動(dòng)機(jī)才能提供足夠的啟動(dòng)力矩，然而正常工作時(shí)需要的力矩又比較小，而這種低負(fù)荷的情況不但使得電動(dòng)機(jī)裝機(jī)成本提高，而且電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)降低、效率也較低，導(dǎo)致電能的巨大浪費(fèi)，而在不降低產(chǎn)量前提下，不降低電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率，理論上是不存在有功節(jié)能空間的[4]。

1.2 抽油機(jī)永磁耦合器應(yīng)用

從游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)節(jié)能及改善抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的角度出發(fā)，根據(jù)日產(chǎn)油量、油井油壓、電動(dòng)機(jī)額定功率、額定轉(zhuǎn)速、運(yùn)轉(zhuǎn)電壓、功率因數(shù)、啟動(dòng)電流、運(yùn)行電流、抽油機(jī)功率、減速箱速比等一系列實(shí)際數(shù)據(jù)，經(jīng)科學(xué)計(jì)算等[5]，設(shè)計(jì)并應(yīng)用永磁耦合器，代替原有抽油機(jī)皮帶輪，確定更為準(zhǔn)確的油田電動(dòng)機(jī)的選型方案。將永磁耦合器引入到電動(dòng)機(jī)對(duì)抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，在不降低單位時(shí)間產(chǎn)能的前提下，利用磁場(chǎng)作用傳遞轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間柔性連接，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的延時(shí)啟動(dòng)，緩沖上下沖程換向過程的機(jī)械沖擊，提高抽油機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低電動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量，實(shí)現(xiàn)油田抽油機(jī)節(jié)能降耗[6]。

2 抽油機(jī)永磁耦合器技術(shù)原理

2.1 結(jié)構(gòu)

抽油機(jī)永磁耦合器主要是由永磁轉(zhuǎn)子、導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、皮帶輪、軸承等零部件組成[7]，永磁耦合器結(jié)構(gòu)見圖1。永磁轉(zhuǎn)子是安裝在轉(zhuǎn)盤上的鑲嵌有永磁磁鋼的環(huán)形套筒組件；導(dǎo)體轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)盤上的鑲嵌有銅導(dǎo)體的環(huán)形套筒組件。當(dāng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子隨電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，與電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的銅導(dǎo)體切割磁力線，在導(dǎo)體表面形成渦電流，渦電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與永磁轉(zhuǎn)子固有磁場(chǎng)相互作用，傳遞扭矩，從而導(dǎo)體轉(zhuǎn)子拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)。

圖1 永磁耦合器結(jié)構(gòu)

將永磁轉(zhuǎn)子以剛性鍵槽（電動(dòng)機(jī)聯(lián)結(jié)標(biāo)準(zhǔn)）方式安裝在電動(dòng)機(jī)軸上，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與皮帶輪剛性連接，而皮帶輪通過軸承安裝在主軸上，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子同軸的同時(shí)，由二者之間的軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速差[8]。

2.2 工作原理

永磁耦合器應(yīng)用在抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)中，電動(dòng)機(jī)側(cè)安裝導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子內(nèi)圈安裝銅導(dǎo)體環(huán)；皮帶輪側(cè)安裝永磁轉(zhuǎn)子，永磁轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝永磁體。結(jié)構(gòu)上導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的銅導(dǎo)體內(nèi)圈與永磁轉(zhuǎn)子的外圈徑向正投影，但不接觸，二者之間設(shè)計(jì)出一定的間隙，此間隙也被稱為“氣隙”，因此實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)與負(fù)載由原來的硬（機(jī)械）連接變?yōu)檐洠ㄈ嵝裕┻B接[9]。同時(shí)，隨著負(fù)載的變化，永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，二者之間的轉(zhuǎn)速差稱為“滑差”[10]，這也是永磁耦合器的“柔性”所在。當(dāng)電動(dòng)機(jī)不通電時(shí)，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子靜止，磁力線通過導(dǎo)體，沒有切割磁力線，不產(chǎn)生渦電流，永磁轉(zhuǎn)子靜止。當(dāng)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子隨電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，與電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的銅導(dǎo)體切割磁力線，在導(dǎo)體表面形成渦電流，渦電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與永磁轉(zhuǎn)子固有磁場(chǎng)相互作用，傳遞扭矩，從而導(dǎo)體轉(zhuǎn)子拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在大慶油田某采油廠5型抽油機(jī)配套一臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率為7.5kW的永磁耦合器，安裝過程簡(jiǎn)單，只需拆掉原皮帶輪，在進(jìn)行安裝即可。自2018年用于節(jié)能改造安裝至今，抽油機(jī)和永磁耦合器工作狀態(tài)穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，7.5kW永磁耦合器現(xiàn)場(chǎng)安裝和使用情況見圖2。因?yàn)槔昧舜艤u流感應(yīng)磁場(chǎng)耦合的軟連接取代傳統(tǒng)的機(jī)械硬連接，在現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)不僅實(shí)現(xiàn)負(fù)載柔性啟動(dòng)，并且降低了負(fù)載的沖擊振動(dòng)；大慶油田某采油廠原5型抽油機(jī)原配備電動(dòng)機(jī)為22kW，安裝永磁耦合器后，降低電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率，電動(dòng)機(jī)降檔應(yīng)用7.5kW，提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

圖2 7.5kW永磁耦合器現(xiàn)場(chǎng)安裝與使用情況

某采油廠抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的安裝永磁耦合器前后節(jié)能測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，經(jīng)實(shí)測(cè)計(jì)算該臺(tái)7.5kW永磁耦合器綜合節(jié)電率高達(dá)27.62%，節(jié)能效果突出，同時(shí)永磁耦合器的平均使用壽命在25a左右，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

表1 永磁耦合器前后節(jié)能測(cè)試數(shù)據(jù)

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

某采油廠CYJ5-2.5-26HB抽油機(jī)應(yīng)用永磁耦合器具有顯著的節(jié)電經(jīng)濟(jì)效益，原來每年耗電量為電費(fèi)約為104502kWh，電費(fèi)以0.7元/kWh計(jì)算，年電費(fèi)約為73151.57元。安裝永磁耦合器后，全年將節(jié)電28864kWh，節(jié)電率為27.62%，節(jié)省20204.46元，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)語

1）永磁耦合器是利用永磁渦流技術(shù)，應(yīng)用在抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，改善抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)一種節(jié)能產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)的柔性啟動(dòng)，使小功率電動(dòng)機(jī)即可順利啟動(dòng)抽油機(jī)，同時(shí)降低了抽油機(jī)負(fù)載的沖擊振動(dòng)，且無沖擊影響；同時(shí)可選用低功率電動(dòng)機(jī)，提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，節(jié)能率可達(dá)到10%以上，設(shè)備本身可靠性高，壽命長(zhǎng)。

2）抽油機(jī)啟動(dòng)電流大及采油工況不穩(wěn)定，原電動(dòng)機(jī)的選用功率余量較大，應(yīng)用永磁耦合器雖然采用了小功率電動(dòng)機(jī)，但遇到負(fù)載驟然增大的情況也不會(huì)造成電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)燒損，也延長(zhǎng)皮帶及傳動(dòng)設(shè)備使用壽命。

3）從大慶油田某采油廠抽油機(jī)井5型機(jī)節(jié)能改造永磁耦合器的使用情況看，在產(chǎn)液量不變的情況下，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，傳動(dòng)平緩，綜合節(jié)電率為27.62%，節(jié)能收益明顯，具有非常好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

克拉瑪依油田風(fēng)城采油作業(yè)區(qū)