基于磁悬浮技术的抽油机设计

2015-06-12焦裕玺黄鹤松卢正通

机械制造 2015年4期

□ 焦裕玺 □ 黄鹤松 □ 卢正通 □ 卫璐 □ 马坤 □ 李炜

1.山东科技大学电气与自动化工程学院山东青岛 266590

2.胜利油田技术检测中心山东东营 257000

1 机械采油现状分析

目前我国除少数油井为自喷油井外，几乎所有油井采用抽油机或螺杆泵举升工艺进行机械采油，效率低（见表1），能耗大，机械采油系统能耗约占采油总成本的50%。当前，原油产量处于快速增长期，能源消费总量逐年增加，增幅接近20%。国内各大油田都在进行节能降耗的研究，因此提高机采系统效率，优化机采系统的能源利用效率，对降低生产成本、实现低碳生产具有重要意义。

表1 抽油机效率汇总表

机采系统能耗主要是由井下杆柱和液柱的质量加载给电机所引起的载荷能耗，其余系统能耗包括电机自损耗、抽油机传动磨损以及其它摩擦阻力。电机自损耗包括热损失和机械损失；抽油机传动磨损有：皮带传动部件的摩擦损失，减速箱内部传动摩擦损失，四连杆装置的轴承摩擦损失和钢丝绳变形损失，抽油杆部分的摩擦损失和弹性变形损失［1］。因此，提高机采系统效率的主要措施是减少能量传递过程中各环节的能量损耗，使抽油机的电能尽可能多地转换为机械能，用于原油的举升开采。

2 磁悬浮原理介绍

▲图1 磁悬浮列车基本原理

磁悬浮是一种斥力悬浮系统，利用 “磁体同性相斥”原理设计。下面以磁悬浮列车为例，介绍磁悬浮工作的基本原理。磁悬浮列车悬浮间隙上下两侧安装电磁线圈，并分别放置磁化感应钢板和反作用板，以增强磁化面积与磁化能力，通过控制电磁线圈的电流使列车车身产生的磁场极性与轨道产生的电磁极性相同，由此列车轨道和列车间出现强大排斥力，该力与列车重力相互平衡，使列车车身和轨道间保持1 cm的间隙，列车悬浮在轨道上运行［2］，如图1所示。

磁悬浮列车的驱动和同步直线电机运行原理一样，在位于轨道两侧的线圈与车身底部的线圈中通入交流电，两套线圈得电后变成电磁体，轨道电磁体与车身电磁体相互作用，根据异性相吸同性相斥的原理，使列车开动。假若列车车身的电磁体被磁化为N极，会被安装在车身前方轨道上电磁体S极所吸引，同时又被安装在车身后方轨道上的电磁体N极所排斥，在这对引力与斥力的共同作用下，列车开动。由于线圈中通的是交流电，在接下来半个电周期中，之前的S极变成N极，N极变成S极［3］，循环往复，使列车向前奔驰。

3 磁悬浮抽油机方案设计

▲图2 磁悬浮机采系统结构

▲图3 抽油机3D效果图

借鉴目前常用抽油机的先进技术，结合磁悬浮技术与直线电机的特点，设计了如图2所示的机械采油系统。直线电机悬浮运动系统置于机架内部，可以避免恶劣环境和雨雪天气对设备的影响。采用传统的天轮与配重设计，可以进一步提升机采系统的平衡性，提高能量转化率和系统效率［4］。磁悬浮抽油机3D效果图如图3所示。

4 性能分析

由于利用了磁悬浮技术，使部件间没有接触，因此无摩擦、无机械磨损、低能耗、低噪声；不需要支撑介质，可在各种特殊条件下应用，而且可以长期工作，无需润滑和维护；易于实现计算机控制，进而实现运动、监控及自动检测和诊断，自动化程度高；受力分布均匀，因为磁悬浮支撑力是均匀分布在整个磁极面上，大大减小了应力，提高了使用寿命和可靠性［5］。

直线电机与传统抽油机旋转电机相比，由于直线电机没有把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使机械采油系统能量传递效率提高，去除了复杂的传动结构，其本身的结构大为简化［6］；直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，若采用微机控制，则可以大大提高整个系统的定位精度［7］。现场实际对比游梁式抽油机与直线电机抽油机，结果见表2。可以发现，直线电机抽油机的节电率达到54.7%，节能效果显著。直线电机在每个冲程中的90%时间都是匀速运动，系统效率高。