張安東 朱猛 李成泉 劉慧善（貴州航天林泉電動(dòng)機(jī)有限公司蘇州分公司）

節(jié)能與環(huán)保已成為當(dāng)今世界發(fā)展主題，是各國(guó)政府大力支持的方向，是各行各業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。在此背景下，積極降低能耗、建設(shè)資源節(jié)約型企業(yè)以及發(fā)展先進(jìn)高效技術(shù)石油開(kāi)采裝備，是我國(guó)石油企業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)和方向所在[1-3]。目前，我國(guó)主力油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，油田綜合含水率上升，開(kāi)采成本增高，效益下降，增產(chǎn)難度大。所以，亟需攻克地質(zhì)復(fù)雜的油田鉆探、特高含水油田、低/特低滲透油氣田和稠油油田開(kāi)采中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，完善配套工藝和升級(jí)技術(shù)裝備，提高采收率、降低成本[4]。

立式直驅(qū)抽油機(jī)在深入分析我國(guó)陸上油田開(kāi)采狀況以及研究國(guó)外先進(jìn)開(kāi)采設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)石油開(kāi)采裝備的需求及發(fā)展要求，以企業(yè)的技術(shù)積累與市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)為基礎(chǔ)，開(kāi)展研發(fā)生產(chǎn)的系列化節(jié)能型抽油機(jī)，提升了我國(guó)新型石油開(kāi)采裝備制造業(yè)總體水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力[5]。

1 立式直驅(qū)抽油機(jī)介紹

抽油機(jī)通過(guò)智能電氣控制柜驅(qū)動(dòng)、控制低速直驅(qū)永磁電動(dòng)機(jī)做正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)井口端抽油桿柱和后平衡裝置做上、下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，完成采油舉升。抽油桿和配重形成了天平式的平衡，相互不斷地交換儲(chǔ)存和釋放勢(shì)能的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行時(shí)的平衡，使機(jī)械效率達(dá)到90%以上，無(wú)功損耗接近于零，屬于“長(zhǎng)沖程、低沖速”機(jī)電一體化的抽油機(jī)[5-7]。

其主要組成部件為：直驅(qū)永磁電動(dòng)機(jī)、塔架、后平衡裝置、智能電氣控制柜、懸掛梁等。立式抽油機(jī)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其技術(shù)特點(diǎn)如下：

圖1 立式抽油機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1）直驅(qū)永磁電動(dòng)機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速低（0～35 r/min）、轉(zhuǎn)矩大，低速直驅(qū)，結(jié)構(gòu)緊湊。

2）高效可靠智能控制裝置。實(shí)現(xiàn)可靠的正反轉(zhuǎn)功能，能自診斷、自檢測(cè)和自報(bào)告抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障代碼，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3）制動(dòng)裝置。采用電磁式制動(dòng)器為失電制動(dòng)方式，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間短，安全可靠。

2 主要設(shè)備方案

2.1 直驅(qū)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)方案

電動(dòng)機(jī)采用低速永磁同步電動(dòng)機(jī)方案，該電動(dòng)機(jī)作為抽油驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，具有力矩體積比高、低速直接驅(qū)動(dòng)、可正反轉(zhuǎn)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)為：電網(wǎng)電壓：三相制380 VAC/50 Hz；額定轉(zhuǎn)速：30 r/min；額定輸出功率：19.5 kW；額定輸出力矩：6 200 N·m（載荷差2.0 t）；額定電流：40 A；過(guò)載力矩：12 400 N·m（單提3.7 t）；效率：≥85%。

2.2 直驅(qū)抽油機(jī)控制柜方案

1）控制柜整體包含控制柜外形、結(jié)構(gòu)、操作界面，元器件安裝、防護(hù)、接線布置，行程開(kāi)關(guān)及外圍制動(dòng)器控制電源、制動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)等相關(guān)電氣設(shè)備的連接，整機(jī)控制電原理框圖如圖2所示。

2）控制柜利用變頻器自身編程平臺(tái)，從檢測(cè)、反饋、插補(bǔ)運(yùn)算、誤差修正到速度與轉(zhuǎn)矩的自我調(diào)制進(jìn)行閉環(huán)控制算法[8-10]?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，以MCGS組態(tài)為用戶提供了更為直觀易讀的操作界面。

4）具有多項(xiàng)安全保護(hù)功能，如控制柜恒溫、變頻過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、電動(dòng)機(jī)失速保護(hù)、失載保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等，為設(shè)備可靠運(yùn)行提供了有力的安全保障。

圖2 控制柜控制電原理

2.3 直驅(qū)抽油機(jī)塔架結(jié)構(gòu)方案

抽油機(jī)塔架整體機(jī)構(gòu)具有加工簡(jiǎn)單，可靠性高，安裝方便，易維護(hù)性、抗風(fēng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，塔架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 塔架結(jié)構(gòu)

采用的塔架結(jié)構(gòu)是主體圓筒結(jié)構(gòu)，直接選用適合直徑鋼管型材，輔助加工圍欄、扶梯等安全及維護(hù)裝置，根據(jù)不同沖程要求選取圓筒高度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，直驅(qū)電動(dòng)機(jī)安裝在塔式結(jié)構(gòu)頂部，屬于外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)，配重箱做為平衡載荷達(dá)對(duì)抽油泵負(fù)載起均衡作用，抽油時(shí)通過(guò)配重箱輔助出力，使電動(dòng)機(jī)盡可能輸出最小力矩實(shí)現(xiàn)抽油功能，達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)也可減小電動(dòng)機(jī)的整體設(shè)計(jì)功率。電動(dòng)機(jī)外采用變頻器控制柜實(shí)現(xiàn)抽油設(shè)備的智能化控制，通過(guò)觸摸屏可自由設(shè)定沖程、沖速，并對(duì)異常情況進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)及輸出故障信號(hào)，有利于設(shè)備的正常維護(hù)。

3 兩種抽油機(jī)對(duì)比

采取兩款同等輸出功率抽油機(jī)電控直驅(qū)立式抽油機(jī)（WCYJD14）與常規(guī)游梁式抽油機(jī)（CYJ14）技術(shù)參數(shù)對(duì)比，通過(guò)對(duì)比直觀反映新型直驅(qū)抽油機(jī)優(yōu)勢(shì)特性：

1）沖程長(zhǎng)度長(zhǎng)，直驅(qū)抽油機(jī)最高可達(dá)8 m，高于常規(guī)抽油機(jī)6 m指標(biāo)，對(duì)于一些深油井進(jìn)況具備明顯優(yōu)勢(shì)：沖速時(shí)間短，相比同樣出油工作量，所需時(shí)間更短，同樣在單位時(shí)間內(nèi)出油量更大，工作效率更高（圖4）。

2）電動(dòng)機(jī)所需功率小，由于系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換率更高大于30%，在油泵輸出同樣的負(fù)載功率的情況下，電動(dòng)機(jī)輸出所需功率要大大減小，單位產(chǎn)油量更加節(jié)能省電。電動(dòng)機(jī)噪音小，采用變頻調(diào)速工作原理，省去中間大量機(jī)械部件，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，同時(shí)采取變頻軟啟動(dòng)方式，啟動(dòng)平穩(wěn)，噪音大幅降低（圖5）。

3）整機(jī)重量小，由于省去了減速機(jī)構(gòu)，機(jī)械驢頭等笨重裝置，系統(tǒng)整機(jī)重量大幅減小，安裝占地面積大幅減小，安裝簡(jiǎn)單方便，施工強(qiáng)度大幅減輕，維護(hù)更加方便（圖6）。

圖4 兩種抽油機(jī)沖程、最大沖速對(duì)比

圖5 兩種抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)功率、噪聲對(duì)比

圖6 其他參數(shù)對(duì)比

4）節(jié)能增效。通過(guò)對(duì)油田應(yīng)用新型抽油機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與游梁式抽油機(jī)相比，平均綜合節(jié)電率大于或等于35%，節(jié)電效果明顯。按單臺(tái)20 kW功率電動(dòng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)以負(fù)載70%工況工作，單邊出力特性，做功時(shí)間減半，一天耗電量為168 kWh，一年耗電量為61 320 kWh，按節(jié)能35%計(jì)算，每年單臺(tái)抽油機(jī)節(jié)電21 462 kWh，產(chǎn)生節(jié)約效益（按工業(yè)用電0.725 元/kWh 計(jì)算） 15 560 元，還未計(jì)算降低安裝、保養(yǎng)維護(hù)成本等效益，如大規(guī)模推廣應(yīng)用，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益非常可觀（圖7）。

圖7 節(jié)能檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)上述抽油機(jī)各主要性能指標(biāo)對(duì)比情況分析，立式直驅(qū)電動(dòng)機(jī)具備同比重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、產(chǎn)能高、節(jié)能省電、智能化操作方便、安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單等明顯優(yōu)勢(shì)，已具備后期大量推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

所研究的新型立式直驅(qū)抽油機(jī)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)抽油機(jī)同型測(cè)試參數(shù)對(duì)比，具備良好的節(jié)能、易維護(hù)，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本較低，通過(guò)近十年不斷優(yōu)化及應(yīng)用，已成功克服前期出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)技術(shù)不成熟，故障率較高，導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)、皮帶壽命偏低等缺點(diǎn)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)本體不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，加工工藝改進(jìn)，隨著產(chǎn)量提升在降本方面取得較大突破，整機(jī)成本更具競(jìng)爭(zhēng)力，符合國(guó)家節(jié)能減排、高質(zhì)量發(fā)展的總體需求，在未來(lái)對(duì)于我國(guó)石油裝備領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重大意義。