夏凱旋，韋 濤，趙有龍，范 旭

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司國際公司，天津 300450）

1 游梁式抽油機(jī)改造方案概述

油田開發(fā)中后期，大部分油田會(huì)采用游梁式抽油機(jī)。為了滿足更高的原油開采需求，油田運(yùn)用了許多長沖程、低沖次抽油機(jī)，我國早期使用的抽油機(jī)不滿足該特點(diǎn)，大幅制約了油田開發(fā)效益。因此，低沖次抽油機(jī)和對現(xiàn)有抽油機(jī)進(jìn)行低沖次改進(jìn)成為抽油機(jī)設(shè)計(jì)的主要方向。本文設(shè)計(jì)了新的游梁式低沖次抽油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)有效、穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 目前游梁式抽油機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)分析

一般的游梁式抽油機(jī)在采用二級分流式減速箱的情況下，沖次為9～15次/min很難滿足目前油田對低沖次抽油機(jī)的要求。要實(shí)現(xiàn)降低沖次的要求，需要重新選擇電機(jī)或設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)。

以3次/min（低沖次）為例，在現(xiàn)有傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，需要8左右的傳動(dòng)比，然而在該傳動(dòng)比下傳動(dòng)帶的壽命會(huì)降低50%以上。通過增加傳動(dòng)比，降低抽油機(jī)的沖次的方法，大幅降低了傳動(dòng)帶的壽命，增加了油田抽油機(jī)的維護(hù)成本和維護(hù)時(shí)間。

1.2 其他常用的降低沖次的方法對比

減速機(jī)是抽油機(jī)中最有價(jià)值和最核心的部件，其改造成本高、難度大，不符合油田經(jīng)濟(jì)效益。因此，常用的減少?zèng)_程次數(shù)的方法主要是通過降低抽油機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。常用的方法有變頻器調(diào)速、兩級皮帶傳動(dòng)、低速電機(jī)等。

變頻器可以降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到降低沖次的目的，配套變頻器還需要使用變頻電機(jī)，會(huì)降低系統(tǒng)效率增加成本，以常規(guī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)（37～45kW）為例，效率會(huì)降低15%左右。而且電氣系統(tǒng)在野外工作的可靠性較低，增加了額外的維護(hù)成本。使用變頻器使得抽油機(jī)的沖次下降后，但驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)工作的扭矩沒有下降，只是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率顯著下降了，電機(jī)長期處在額定轉(zhuǎn)速下的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，不利于其壽命和能耗；變頻調(diào)速屬于恒力矩調(diào)速系統(tǒng)，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速后，其輸出力矩沒有增加而是下降，影響了抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。因而通過使用變頻器獲得較低的沖次，不是一種經(jīng)濟(jì)和長久的選擇。

采用兩級皮帶傳動(dòng)，降低沖次的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一般在原抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加傳動(dòng)比為2～2.5的帶傳動(dòng)系統(tǒng)，從而降低沖次。然而，兩級皮帶的張力更為復(fù)雜。在野外作業(yè)中操作也更加復(fù)雜。并且改造時(shí)抽油機(jī)底座長度應(yīng)滿足要求，因此在現(xiàn)場的應(yīng)用越來越少。

1.3 無鐵損永磁調(diào)速器在抽油機(jī)上應(yīng)用的可行性研究

目前常見的實(shí)現(xiàn)低沖次的方法有使用低速電機(jī)、大傳動(dòng)比皮帶傳動(dòng)、兩級皮帶減速和使用變頻器等方式，降低曲柄的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)低沖次的目的，但上述方式存在如下缺點(diǎn)：

（1）對于使用低速電機(jī)、大傳動(dòng)比皮帶傳動(dòng)、兩級皮帶減速等方式，雖然獲得了較低的沖次，但由于增加了系統(tǒng)的傳動(dòng)鏈，增加了成本，同時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)沖次可調(diào)的要求。

（2）使用變頻器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)沖次可調(diào)，但不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且由于變頻器屬于恒力矩調(diào)速方式，需要增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，增加了系統(tǒng)的裝機(jī)容量。

因而急需一種既能獲得較大傳動(dòng)比，又能實(shí)現(xiàn)增加輸出軸扭矩，實(shí)現(xiàn)沖次連續(xù)可調(diào)的減速傳動(dòng)系統(tǒng)，滿足抽油機(jī)降低沖次，增加啟動(dòng)力矩，降低電機(jī)裝機(jī)功率的目的。

無鐵損永磁調(diào)速器是具有上述優(yōu)點(diǎn)的傳動(dòng)系統(tǒng)。無鐵損永磁調(diào)速器裝置，包括同軸布置的副軸和延伸主軸；延伸主軸上設(shè)有永磁轉(zhuǎn)子，永磁轉(zhuǎn)子包括成對平行設(shè)置在延伸主軸上的第一永磁轉(zhuǎn)子盤和第二永磁轉(zhuǎn)子盤；副軸上固定有導(dǎo)體轉(zhuǎn)子基盤，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子基盤上固定有導(dǎo)體轉(zhuǎn)子，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子位于第一永磁轉(zhuǎn)子盤和第二永磁轉(zhuǎn)子盤之間且間隔設(shè)置；第一永磁轉(zhuǎn)子盤和第二永磁轉(zhuǎn)子盤相對的一側(cè)設(shè)有永磁體組；所述無鐵損永磁調(diào)速器裝置還包括用于驅(qū)動(dòng)第一永磁轉(zhuǎn)子盤和第二永磁轉(zhuǎn)子盤沿延伸主軸的軸線反向同步移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過優(yōu)化磁路，使得永磁調(diào)速裝置的外磁路鏈中無須鐵磁材料，從而可以使產(chǎn)品在運(yùn)行中無鐵損，可以提高扭矩的傳遞效率，同時(shí)減少溫升。通過調(diào)整磁隙，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的調(diào)節(jié)；通過磁體間的滑差變化，可以獲得大的啟動(dòng)力矩。

2 分析依據(jù)

2.1 主要功能要求和優(yōu)缺點(diǎn)

使用無鐵損永磁調(diào)速器的抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由無鐵損永磁調(diào)速器、傳動(dòng)軸、角傳動(dòng)箱和控制柜等部分組成。通過角傳動(dòng)箱，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的安裝要求，通過調(diào)整控制參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的變化，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)低沖次工作和沖次連續(xù)可調(diào)的要求。由于無鐵損永磁調(diào)速器具有較大的過載啟動(dòng)能力，可以顯著增加系統(tǒng)的啟動(dòng)力矩，降低抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的裝機(jī)功率，起到節(jié)能降耗的目的。

圖1 無鐵損永磁調(diào)速器的抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

在抽油機(jī)應(yīng)用無鐵損永磁調(diào)速器有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無鐵損永磁調(diào)速器具有良好啟動(dòng)特性，可以滿足抽油機(jī)對于啟動(dòng)性能的要求，啟動(dòng)過程平穩(wěn)，電機(jī)裝機(jī)功率降低，按照目前無鐵損永磁調(diào)速器的性能，其啟動(dòng)力矩可以增加30%～50%，對應(yīng)的可以降低抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝機(jī)功率30%左右，可以顯著提升系統(tǒng)效率。

（2）無鐵損永磁調(diào)速器屬非接觸式傳動(dòng)系統(tǒng)，可以有效地隔離電機(jī)與負(fù)載之間的震動(dòng)，并且可以削弱波動(dòng)性負(fù)載對于電機(jī)的影響，起到減震降噪，提升電機(jī)壽命的作用。

（3）應(yīng)用無鐵損永磁調(diào)速器后可以降低電機(jī)的牌號，做到電機(jī)資源的合理配置，使電機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)，節(jié)電效果明顯，起到節(jié)能降耗的作用。

（4）無鐵損永磁調(diào)速器可以在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的變化，實(shí)現(xiàn)沖次的連續(xù)可調(diào)。

（5）磁力耦合器性能穩(wěn)定，免維護(hù)，現(xiàn)場應(yīng)用將減少人力物力投入，適合在環(huán)境惡劣的條件下應(yīng)用。

在抽油機(jī)應(yīng)用無鐵損永磁調(diào)速器的主要不足為：

（1）增加了角傳動(dòng)箱，由于角傳動(dòng)箱的空間受限，需要進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和可靠潤滑，這點(diǎn)對維護(hù)提出了一定的要求。

（2）傳動(dòng)軸的距離較大，由于安裝空間的限制，需要較長的傳動(dòng)軸，一般要求1～1.5m，這對抽油機(jī)底座長度提出了較高的要求。

（3）無鐵損永磁調(diào)速器在野外24h交變載荷下長期使用的考驗(yàn)，需要經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)。

（4）增加了支架和控制系統(tǒng)，需要進(jìn)行現(xiàn)場安裝改造。

綜上所述，無鐵損永磁調(diào)速器經(jīng)過改造后可以滿足在抽油機(jī)應(yīng)用的要求，配套現(xiàn)場設(shè)計(jì)，按照現(xiàn)場工況，選擇合適的型號，應(yīng)使磁力耦合器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩大于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，可以保證抽油機(jī)的正常運(yùn)行。

2.2 改造的技術(shù)途徑

用無鐵損永磁調(diào)速器對抽油機(jī)進(jìn)行低沖次改造，需要按照如下技術(shù)途徑進(jìn)行：

（1）測量抽油機(jī)減速箱輸入軸的安裝空間，設(shè)計(jì)、制造合適的角傳動(dòng)箱。

（2）根據(jù)曲柄的旋轉(zhuǎn)空間，設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸的長度，按照減速箱力矩和啟動(dòng)力矩設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸的直徑，建議選擇雙萬向節(jié)傳動(dòng)軸系統(tǒng)。

（3）根據(jù)減速箱高底座的高度，設(shè)計(jì)電機(jī)支架，并進(jìn)行穩(wěn)定性校核。

（4）根據(jù)減速箱力矩和抽油機(jī)的工作特性，選擇無鐵損永磁調(diào)速器。

（5）選擇合適的電機(jī)，并進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)，主要支架與控制柜、抽油機(jī)剎車的配合與空間安裝關(guān)系。

（6）完成無鐵損永磁調(diào)速器改造抽油機(jī)的設(shè)計(jì)。

2.3 應(yīng)用前景

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國油田在用游梁式抽油機(jī)有30萬臺(tái)左右，使用了常規(guī)皮帶和2級齒輪減速箱的減速傳動(dòng)系統(tǒng)。由于我國油田的原油物性和產(chǎn)量決定，大概70%左右的油井，需要使用長沖程、低沖次抽吸方式，按照上述分析，無鐵損永磁調(diào)速器改造游梁式抽油機(jī)，將有15～20萬臺(tái)的市場空間，在新抽油機(jī)上應(yīng)用，將有每年1～1.5萬臺(tái)的用量，其應(yīng)用前景廣闊。

3 結(jié)論

1）長沖程、低沖次，沖次連續(xù)可調(diào)是游梁式抽油機(jī)的發(fā)展方向。

2）無鐵損永磁調(diào)速器具有軟啟動(dòng)、大傳動(dòng)比、傳動(dòng)比可調(diào)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在游梁式抽油機(jī)上使用，可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的低沖次工作和沖次連續(xù)可調(diào)，是一種有推廣前景的抽油機(jī)低沖次改造方式。

3）無鐵損永磁調(diào)速器是否滿足抽油機(jī)載荷變化大、野外工作、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，需要經(jīng)過改造實(shí)踐，才能進(jìn)行驗(yàn)證。