永磁复合电动机直驱游梁式抽油机节能技术的试验应用

刘克让（中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心）

引言

游梁式抽油机有原动机、皮带、减速齿轮箱三个旋转驱动环节。原动机通常为感应电动机，虽然额定效率能达到90%，但由于抽油机特殊的工况，每一个冲程内负载均呈大范围变化，而感应电动机轻载时的效率及功率因数很低，因此平均效率和功率因数不高，一般平均效率不超过80%，平均功率因数不超过0.5。

减速齿轮箱通常由3～4 级人字齿轮或斜齿轮组成，减速比在25～45，额定效率在90%～95%。但是减速齿轮箱需要定期更换润滑油，在高温、严寒及昼夜温差大等环境下，密封容易老化，产生渗油、漏油以及渗入地表的环境污染问题。

皮带作为连接原动机及减速箱的环节，既起到减速的作用，又起到缓冲的作用，有时也通过调节皮带轮的大小来间接调节冲速，是游梁式抽油机非常重要的部件。皮带轮的效率在恒载时也能达到90%，但是在变载时会降低，特别是皮带非常容易磨损，随着磨损程度的增加，效率会进一步降低，通常一二个月就需要更换皮带。

为了提高系统效率，提出了多种节能方法，例如双功率感应电动机、高转差率感应电动机、变频调速感应电动机、自启动永磁同步电动机、变频调速永磁同步电动机等。这些节能改造措施均可以在一定程度上提升系统效率，但诸如环节较多、维护频繁、噪声较大等问题依然没有得到解决或改善。

1 游梁式抽油机直驱技术

直驱游梁式抽油机取消了传统游梁式抽油机的原动机、皮带及减速齿轮箱三个旋转驱动环节，换上1 台低速大转矩永磁复合电动机直接驱动游梁式抽油机的连杆进行采油作业。

直驱游梁式抽油机只有永磁复合电动机一个旋转驱动环节。

图1 游梁式抽油机直驱现场

图1 中绿色电动机为永磁复合电动机，替换普通减速箱。与机械减速齿轮箱相比，永磁复合电动机结构对称，不存在轴向承载问题，主副轴承采用圆柱滚子轴承，径向承载能力提高，同时内部高速轴承转速每分钟只有几十转，远低于机械减速齿轮箱的高速轴承转速，寿命大大延长，理论寿命达15年以上。体积与同转矩规格的减速齿轮箱相当，远小于普通低速电动机，因此，对传统游梁式抽油机进行直驱改造时不需要改变原有的基础设施，可以直接按照原有的减速齿轮箱规格设计主轴及底座，直接在原基座上安装。

2 永磁复合电动机

2.1 结构特点与工作原理

游梁式抽油机直驱技术的关键是满足生产需要的电动机，即永磁复合电动机。2001年，英国学者K.Atallah 提出了一种基于磁场调制原理的高性能同心式磁性齿轮，关键之处在于内外转子之间引入了调磁铁芯，使得少极数转子产生的高速旋转磁场经过调磁铁芯调制后，在外气隙中形成与多极数外转子相同极对数的低速谐波磁场，从而实现稳定的低速大转矩输出。由于所有磁钢同时参与作用，该磁性齿轮与传统内外啮合式磁性齿轮相比，转矩密度大大提高，能够与机械齿轮相媲美；同时，又具有机械齿轮所不具备的无润滑、无接触、自保护等优点，因而近年来得到国内外众多学者的关注。

同心式磁性齿轮通常由磁钢内层、铁心的调磁环和磁钢的外层三部分组成，它们之间形成两层气隙（图2）。与机械齿轮不同的是，磁性齿轮的各个运动部件互不接触，能量通过磁场进行传递。与传统非同心式磁性齿轮不同的是，内层与外层的所有磁钢同时参与能量传递，传递效率大大提高。

图2 永磁复合电动机的结构

2.2 技术特点

1）永磁复合电动机减少了驱动环节，提高了系统效率，降低了系统故障率，且无需更换润滑油，提高了设备的可靠性，增加了设备的连续工作时间。

2）永磁复合电动机不仅具有非常紧凑的结构，而且无需任何冷却措施，额定效率超过90%，25%以上负载范围内的平均效率亦达到85%。23 kW的永磁复合电动机可以代替45 kW 的普通感应电动机，在电动机负载不变的情况下，降低功率等级等于提高电动机负载率[1]。根据电动机的运行特点，负载越接近额定功率，效率越高。

3）自然冷却条件下，永磁复合电动机的温升低，为20 K，保证了永磁复合电动机长寿命、稳定的运行。

3 试验效果

3.1 示功图分析

因为示功图是在水力模拟井上取得，井下状态稳定，所以示功图前后变化不大。

同一井况条件下，永磁复合电动机直驱抽油机技术减少了悬点载荷的波动，最大载荷由69.74 kN减小到65.07 kN。

3.2 能耗分析

从理论上计算，抽油机直驱因为没有皮带与减速箱的损耗，同时电动机的效率提高，有功节电率应该在10%以上，与测试结果相符。

为了提高测试的准确度，对比试验选用中国石油天然气集团公司节能监测评价中心能效检测站内的标准井进行测试。因为此标准井在关键测点配置了高精度传感器，可检测抽油机系统从高压侧到井口的各项参数，所以保证了测试结果的精度要求。测试及计算方法按照SY/T 6422—2008 《石油企业节能产品节能效果测定》和Q/SY 101—2007《抽油机及辅助配套设备节能检测和评价方法》的相关要求，平均综合节电率为16.53%。

4 结论

1）永磁复合电动机直驱抽油机已经在采油厂连续无故障运行2年以上，说明此方案是可靠的。

2）游梁式抽油机采用永磁复合电动机直驱是比较理想的节能方式，节约了人力与材料成本，为游梁式抽油机节能技术的发展提出了一种新思路。

[1]王钊,秦英,李权,等.抽油机节能电动机的应用分析[J].石油矿场机械,2007,36(8):58-61.