复式永磁电动机抽油机设计及现场试验

郑传济（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

传统游梁式抽油机受到传动原组的影响，在节能改造过程中仅局限于更换变压器、电动机和电控箱，节能潜力有限，效果并不理想，应用推广复式永磁电动机抽油机对于降低采油成本、实现节能降耗具有重要意义。

1 复式永磁电动机抽油机原理及结构设计

复式永磁电动机抽油机主要由复式永磁电动机、机架和变频控制装置三部分组成，取消了传统游梁式抽油机的机械传动装置，设计为单管塔式结构，并把复式永磁电动机安装在塔顶的平台上，由智能变频柜控制它直接拖动抽油杆上下往复运动。

1.1 复式永磁电动机

复式永磁电动机是抽油机的核心部分，其结构形式与现有的各种永磁电动机不同，它在普通电动机1 个电枢的基础上，又加上2 个盘式电枢，构成了三维合力的特种永磁同步电动机。该电动机采取变级变频、永磁新材料、盘面电动机、外转子电动机的结合设计，利用了电动机的三维空间，与现在的各种低速大力矩盘式永磁电动机相比，在同样体积下，力矩可显著提高。其主要特点是：

1）效率高：该电动机铜铁损几乎为零，电动机效率较高。

2）启动转矩大，启动电流小：该电动机由于启动转速低，所以它的启动转矩大，启动电流从零到运行电流，没有电流冲击。

3）转速低：最大转速为25 r/min。

4）噪音小：噪声小于60 dB，低于国家80 dB的标准。

5）温升低、寿命长：电动机线包温度低于20 ℃。

1.2 抽油机结构优化

针对传统游梁式抽油机结构复杂、传动效率低的问题（图1），复式永磁电动机抽油机在结构设计上借助复式永磁电动机的低转速、大扭矩特性，结合变频控制器的变频调速功能，采取电动机直接驱动方式，取消了传统游梁式抽油机的减速器、四连杆机构、传动皮带等复杂机构。

图1 传统游梁式抽油机结构示意图

该抽油机设计为单管塔式结构，主要由复式永磁电动机、机架和变频控制装置三部分组成，如图2 所示。其核心部件是复式永磁电动机，安装在塔顶的平台上，电动机两端的轴通过皮带分别连接着塔架两侧的抽油杆和配重箱。当电动机受智能变频柜控制做往复转动时，抽油杆和配重箱则会做方向相反的上下往复直线运动，采用直接平衡的方式，即实现了抽油杆的抽油动作[1]，基本参数见表1。

图2 复式永磁电动机抽油机结构示意图

表1 复式永磁电动机抽油机基本参数

1.3 智能控制设计

传统抽油机所选用的异步电动机和间接驱动的同步电动机由于电动机自身的限制，抑制了变频器的效能。而复式永磁电动机抽油机的直接驱动使变频控制器的变频调速功能得到最大程度的发挥，系统总控流程图如图3所示，该控制器具有以下功能：

1）自动调速功能。复式永磁电动机抽油机采用变频控制，使抽油机冲速调整方便，只通过调整点位器和改变电动机转速即可，即利用控制器前面板上的调节旋钮来调节上行、下行速度，顺时针旋转为增大上、下行速度，逆时针旋转为减小上、下行速度，最大调节范围0～10 Hz，见图4。

2）该控制系统具有GPRS 远程监控功能和断电停机自动再启动功能。

图3 系统总体控制操作流程框图

图4 变频控制柜前面板外形图

当非正常停机断电时，控制系统延时一段时间，发出启动语音警告，警告延时后自动启动抽油机。

当系统出现异常情况时（表2），该系统可及时将报警信息发到远程中控室计算机和负责人手机，提示负责人快速响应，及时处理抽油机的异常情况。

表2 复式永磁电动机抽油机报警状态

3）移动电话主动问询整机运行状态功能。管理人员可以使用任何一部移动电话，向本抽油机（内嵌SIM 卡号）发送数字短信0～9 之间任意数字，则本智能型抽油机随即以汉字形式回复当前运行状态信息，如正常运行、故障停机等，这样可以随时监控抽油机的运行状态。

表3 12-22 井试验前后基础数据对比

表4 12-22 井复式永磁电动机安装前后节能效果对比

2 现场试验及效果

喇嘛甸油田在12-22 井上进行现场试验，该井原为游梁式抽油机，基础数据见表3。

复式永磁电动机抽油机运行平稳，从测试数据看，有功节电率35.2%，综合节电率40.91%，系统效率提高了19.67%，具有较好的节能效果，见表4。

3 应用评价

通过现场试验，复式永磁电动机抽油机与传统游梁式抽油机比较，具备以下特点：

1）原理上具有明显的节能优势。该机结构简单，电动机直接驱动，传动效率高；配置的复式永磁电动机转矩大、转速低、能耗低、效率高；通过变频柔性启动，变压器的装机容量可以和电动机功率相等容量配置，降低配套变压器的装机容量，减小变压器的自身损耗；平衡方式为直接平衡，调整方便，平衡效果好，整机寿命长[2]。

2）自动化程度高，具有远程控制系统和自动调速功能，冲程、冲速调整方便，工人劳动强度低。

3）该机整机结构简单，易损件少，故障少，维修方便，维护费用低。

4）长冲程，低冲速（该抽油机最大冲程可达8 m，最大冲速4 min-1，并且冲程和冲速向下无级可调），排量大，排量效率高，适于含聚浓度高的井。

5）由于工作噪音低，对环境的噪声污染小，适合位于居民区内的油井使用。

4 结论认识

1）复式永磁电动机抽油机采用复式永磁电动机设计，转速低、扭矩大，不需要减速机械，功率因数高，无功功率小，对变压器具有一定的降容作用，节能效果明显。

2）现场试验表明，复式永磁电动机抽油机与传统抽油机相比，占地面积小、结构简单，操作方便，易于维护和维修。

山东LNG接收站罐区及码头全景

[1]张佳明.复式永磁电动机抽油机举升技术与现场应用[J].中国石油和化工标准与质量,2011(8):143.

[2]徐洋.浅析复式永磁抽油机优缺点及管理经验[J].中国石油和化工标准与质量,2013(12):199.