抽油機直驅(qū)電動機的現(xiàn)場應用及效果

許立紅 李青竹 劉士玉 姜冬梅（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

隨著石油行業(yè)的發(fā)展和節(jié)能要求的增加，常規(guī)游梁式抽油機井節(jié)能改造形成了以更換節(jié)能拖動裝置、參數(shù)優(yōu)化為主的技術(shù)措施，但其地面設備節(jié)能挖潛空間越來越小。通過系統(tǒng)分析，在抽油機的驅(qū)動環(huán)節(jié)研發(fā)應用了永磁半直驅(qū)電動機，該電動機具有低轉(zhuǎn)速、大力矩、運行效率高等特點，由永磁同步電動機、配套的控制箱及支撐部分組成[1]。

隨著低速電動機的發(fā)展，在永磁半直驅(qū)電動機的基礎上，研發(fā)了抽油機直驅(qū)電動機，抽油機舉升方式仍以游梁式抽油機為主。與永磁半直驅(qū)電動機對比，取消了減速器部分，電動機直接驅(qū)動四連桿機構(gòu)，通過變頻器控制實現(xiàn)需要的沖次數(shù)，減少了游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)部件，具有簡化結(jié)構(gòu)、減少維護部件、運行平穩(wěn)、節(jié)能效果等優(yōu)勢。

1 抽油機直驅(qū)電動機的結(jié)構(gòu)原理

1.1 結(jié)構(gòu)

抽油機直驅(qū)電動機屬于高轉(zhuǎn)矩密度永磁復合電動機，是磁性齒輪和無刷永磁電動機緊密結(jié)合集成于一體的磁性傳動裝置，永磁直驅(qū)電動機結(jié)構(gòu)見圖1，采用了永磁電動機、磁性齒輪（小輪帶大輪，高速變低速）復合封裝技術(shù)。同心式磁性齒輪通常有pi對磁鋼的內(nèi)層轉(zhuǎn)子、有pm對鐵心的調(diào)磁環(huán)和有po對磁鋼的外層轉(zhuǎn)子三部分組成，它們之間形成兩層氣隙[2-3]。

圖1 永磁直驅(qū)電動機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of permanent magnet direct drive motor

與機械齒輪不同的是，磁性齒輪的各個運動部件互不接觸，能量通過磁場進行傳遞，傳遞效率顯著提高。

1.2 原理

內(nèi)層轉(zhuǎn)子、調(diào)磁環(huán)、外層轉(zhuǎn)子三部分組成同心式磁性齒輪的內(nèi)層氣隙、外層氣隙，形成傳遞能量的磁場。與傳統(tǒng)非同心式磁性齒輪不同的是，內(nèi)層與外層的所有磁鋼同時參與能量傳遞。當內(nèi)層以速度ni旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)層磁鋼在外氣隙中產(chǎn)生一個極對數(shù)為pi的基波空間分布磁場。除此之外，由于經(jīng)過調(diào)磁鐵心調(diào)制，這個空間分布磁場在外層氣隙中還會產(chǎn)生一系列高次的諧波磁場，其中諧波次數(shù)為|pi-pm|的調(diào)制波幅值最大，對應轉(zhuǎn)速為ni/|pi-pm|。根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換定律，兩個磁場要進行穩(wěn)定的能量傳遞，必須具有相同的極對數(shù)，因此po=|pi-pm|[4]。

內(nèi)層轉(zhuǎn)子磁鋼由電動機驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，調(diào)磁環(huán)固定不動，外層轉(zhuǎn)子連接負載輸出，利用磁場調(diào)制的原理，經(jīng)調(diào)磁環(huán)把高速旋轉(zhuǎn)磁場調(diào)制成低速旋轉(zhuǎn)磁場，實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩輸出。

1.3 技術(shù)特點

1）高轉(zhuǎn)矩密度。由于抽油機直驅(qū)電動機通過磁場調(diào)制原理實現(xiàn)減速輸出，結(jié)構(gòu)非常緊湊，具有很高的轉(zhuǎn)矩體積比，屬于自然冷卻條件下高轉(zhuǎn)矩密度的一類電動機。一般情況下達到80～120 kN·m/m3。

2）傳動效率高。與普通電動機驅(qū)動游梁式抽油機進行對比，抽油機直驅(qū)電動機減少了驅(qū)動環(huán)節(jié)，抽油機直驅(qū)電動機的大部分運行區(qū)域的驅(qū)動效率在80%以上，額定效率在90%以上。同時采取的是無接觸傳遞，不存在機械磨損。

3）高功率因數(shù)。抽油機直驅(qū)電動機具有很高的功率因數(shù)，減少了無功功率，提高電網(wǎng)質(zhì)量。降低發(fā)輸配電設備容量及線路損耗、降低新裝機對發(fā)輸配電設備的擴容要求。

4）低噪音。抽油機直驅(qū)電動機經(jīng)過優(yōu)化的電磁及工藝設計，抽油機直驅(qū)電動機輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，運行安靜，噪音低于60 d B，溫升不超過40 K，抽油機直驅(qū)電動機應用前后噪音測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 抽油機直驅(qū)電動機應用前后噪音測試數(shù)據(jù)Tab.1 Noise test data before and after the application of the direct drive motor of the pumping unit

5）自保護。抽油機直驅(qū)電動機提供雙重保護。除了變頻器提供的過壓、過流保護外，自身具有過載、打滑的自保護功能，配有機械制動保護功能。

2 現(xiàn)場應用

抽油機直驅(qū)電動機與抽油機匹配的參數(shù)是扭矩，應滿足游梁式抽油機的扭矩要求?，F(xiàn)場累計應用了抽油機直驅(qū)電動機6臺，機型均為10型游梁式抽油機，其中45 k N的抽油機直驅(qū)電動機1臺（新井投產(chǎn)，沒有原態(tài)數(shù)據(jù)，這里不做效果評價和效益評價）、37 k N的電動機5臺，最大沖程仍是取決于原四連桿機構(gòu)的設計沖程，設計抽油機直驅(qū)電動機最大沖次均為6次[5]。

2.1 額定扭矩測試驗證

在室內(nèi)模擬現(xiàn)場加載試驗，選取理論扭矩37 k N的直驅(qū)電動機，電動機最高轉(zhuǎn)速為510 r/min，保護系數(shù)設定為0.9，負載從0 t增加到30 t，扭矩增加到30.3 k N·m時出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，扭矩在31 kN·m時打滑加劇但還可以運行，扭矩增加到33.4 kN·m時，保護停止運行。由此可見，如果保護系數(shù)設定為1，直驅(qū)電動機實際負載扭矩可達37.1 k N·m。

在現(xiàn)場應用過程中，配套應用變頻類電控箱，根據(jù)需要的扭矩控制電壓，實現(xiàn)了低速大轉(zhuǎn)矩，同時進行電壓補償，實現(xiàn)所需要的超低速運行。

2.2 額定扭矩保持不變

抽油機直驅(qū)電動機安裝選井條件以常規(guī)游梁式CYJY10-3-37HB型抽油機為主，額定扭矩為37 kN·m，應用直驅(qū)電動機后抽油機主體不變，負載額定扭矩仍然匹配到37 k N·m，保證了抽油機安全運行[6]。

2.3 啟動電流和運行電流均下降

抽油機直驅(qū)電動機在應用前后調(diào)整到相近的平衡率的情況下進行對比。采用變頻類電控箱控制，可以實現(xiàn)軟啟動，實現(xiàn)了啟動電流平穩(wěn)上升，從而使電動機啟動運行更加平穩(wěn)，平均運行電流前后對比見圖2，平均啟動最大電流前后對比見圖3。平均啟動最大電流從56.4 A下降到22 A，平均下降幅度60.99%。運行平穩(wěn)時，平均運行電流從35.0 A下降到21.4 A，平均下降幅度為38.86%，應用抽油機直驅(qū)電動機拖動裝置技術(shù)前后啟動、運行電流對比見表2[7]。

表2 應用抽油機直驅(qū)電動機拖動裝置技術(shù)前后啟動、運行電流對比Tab.2 Comparison of starting and running current before and after the application of the direct drive motor driving device technology of the pumping unit

圖2 平均運行電流前后對比Fig.2 Average operating current before and after comparison

圖3 平均啟動最大電流前后對比Fig.3 Average starting maximum current before and after comparison

2.4 運行中負功大幅度減少

抽油機直驅(qū)電動機應用效果對比見表3，可見其耗電量明顯小于措施應用前。運行過程中功率曲線反映出上、下峰值均下降，運行更加平穩(wěn)，可以直觀的說明抽油機直驅(qū)電動機平穩(wěn)運行時間增長，井4設備安裝前、后功率曲線見圖4、圖5[8]。

表3 抽油機直驅(qū)電動機應用效果對比Tab.3 Comparison of application effect of pumping unit direct drive motor

圖4 井4設備安裝前功率曲線Fig.4 Power curve of No.4 well equipment before installation

圖5 井4設備安裝后功率曲線Fig.5 Power curve of No.4 well equipment after installation

2.5 節(jié)能效果顯著

統(tǒng)計5口井額定扭矩37 kN·m抽油機直驅(qū)電動機的使用效果，沖程、沖次、泵徑在保持不變的情況下，應用抽油機直驅(qū)裝置節(jié)能效果對比見表4[9]。

表4 應用抽油機直驅(qū)裝置節(jié)能效果對比Tab.4 Comparison of energy-saving effect of direct drive device of pumping unit

2.6 投入成本小幅度降低

抽油機直驅(qū)電動機應用后，與原游梁式抽油機結(jié)構(gòu)對比，減少了減速箱、減速箱大皮帶輪、電動機皮帶輪、皮帶等部分，替代了原有的電動機和電控箱。消耗件皮帶按每年更換3根，其它配件計算一次性投資，計算8年投入費用，由原游梁式抽油機由16.82萬元下降到16.73萬元，投入費用略有降低。

2.7 經(jīng)濟效益

應用抽油機直驅(qū)電動機技術(shù)，對比應用前后5口井效果，平均有功功率由3.81 k W下降到3.14 kW，下降了17.59%，有功節(jié)電率達到14.38%，電價按0.637元/k Wh、年生產(chǎn)時間按350 d計算，年節(jié)電2.30×104k Wh，年創(chuàng)經(jīng)濟效益1.47萬元[10]。

3 結(jié)論

1）抽油機直驅(qū)電動機直接安裝在原有減速箱的基座上，直接驅(qū)動抽油機運行，改造工作量小，不增加占地面積，具有簡化結(jié)構(gòu)的特點。

2）抽油機直驅(qū)電動機是高轉(zhuǎn)矩密度永磁復合電動機，取消了原來游梁抽油機的減速箱傳動和皮帶傳動部分，提高系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)故障率，且無需更換潤滑油，提高設備的可靠性、增加了設備連續(xù)工作時間，年節(jié)約電量2.30×104k Wh，年創(chuàng)經(jīng)濟效益1.47萬元。