常规游梁平衡抽油机改直接平衡抽油机的设计与试验

2018-12-13何勇大庆油田有限责任公司第六采油厂

石油石化节能 2018年10期

何勇（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

常规游梁平衡抽油机具有结构简单、维修方便、性能稳定等特点，但由于其承载能力是靠额定扭矩来实现的，因此与载荷匹配难度大，平衡调整受限制，能耗相对较高。常规游梁平衡抽油机传统改造主要有下偏杠铃改造、双驴头改造等方式，但由于不改变其传统的平衡方式，因此，无法从根本上解决传动环节多、效率低以及动态平衡的问题。

结合目前直线电动机的发展尤其是大推力的实现，可以将直线电动机用于常规游梁平衡抽油机的改造，替换原有旋转电动机，再通过机械方式转变为直线往复运动的能量转换模式，即：采取直接平衡方式实现抽油机所需的直线往复运动，克服传统四连杆机构效率低的不足，可根据需要调整悬点运动规律[1]。

1 游梁平衡抽油机改造方法

保留原抽油机游梁主体结构，在游梁尾部，采用三相永磁同步直线电动机，直接与游梁尾部驴头相连，替代常规游梁平衡抽油机上的减速器、四连杆机构，平衡配重与电动机初级在电动机轿厢内同步设计（图1）。

直线电动机初级（对应传统旋转电动机的动子）在两侧次级（定子）内做往复直线运动。初级上行时，此时抽油机为下冲程，静平衡上行，光杆下行，电动机与平衡系统储能；达到下死点电动机换向，此时抽油机为上冲程，初级下行，静平衡下行，光杆上行，电动机和平衡系统释放能量，如此往复来达到正常抽汲目的[2]。

2 直线电动机设计

2.1 推力计算

常规游梁平衡抽油机减速箱改造为直线电动机设计，由于游梁尾部也采用驴头设计，因此，仅对直线电动机的对应推力进行设计即可。

直线电动机结构由旋转电动机的切片处沿径向展开，因此，磁场由圆周形演变为平面直线形[3]。对于直线电动机，其产生的动力为直线运动方向上的推力。除考虑电动机电磁结构的安全极限能力外，设计时需满足拖动负载所需的推力可按下式[4]计算。

式中：Fst——直线电动机推力，N；

m1——相数；

I=1st（Z是总阻抗，Ω）；

R=e0（X是励磁电抗，Ω）；m

KP、KQ——横向边缘效应电磁功率系数；

DFa、DFj——纵向边缘效应电磁力系数；

S——滑差率，%；

G——品质因数；

Vs——最大运行速度，m/s。

对比37 kW常规异步电动机与15 kW直线电动机可承受的满载力矩。以CYJY10-3-53HB机型为例，直线电动机的扭矩也可达到常规异步电动机的最大扭矩值（3 700 kN·m）。按力臂1.2 m计算，得出常规游梁平衡抽油机的提升力为3 083 kN；额定功率为15 kW的直线电动机最大推力可达3 000 kN。

按相同载荷设计，额定功率为15 kW的直线电动机可满足额定功率为37 kW的常规10型游梁平衡抽油机的载荷需要。

2.2 机械功率计算

直线电动机的机械功率可按下式[5]计算：

式中：Pm——电动机机械功率，kW；

v——电动机初级速度，m/s；m——推力系数；

E1——励磁电势，V；

Rs——电枢绕组每相电阻，Ω；

X——电枢绕组每相阻抗，Ω；U——电源电压，V。

2.3 平衡配重计算

抽油机的平衡状况直接影响直线电动机的负载水平、使用寿命和整机运转的稳定性。直线电动机抽油机将平衡配重与直线电动机设计为一体，其平衡调整可通过增加、减少配重块的质量来实现。同时，由于改造后直线电动机抽油机利用了电动机初级质量作为配重的一部分，即平衡总质量为配重质量加上电动机初级质量，因此可减少额外配重使用。

根据下泵深度、泵径等参数，直线电动机抽油机所需的平衡质量可由下式求得：