直線電機驅動抽油機的結構分析

目前，中國大部分油田處于中后期，對機械采井設備的開發和研究技術的要求也越來越高。然而,多年來大量投入使用的抽油機,無論是游梁式還是無梁式,其動力設備都是旋轉電機,都必須經過復雜的能量轉換和傳遞才能變成直線往復運動。這樣就不可避免地存在系統轉換效率低、“大馬拉小車”和系統穩定性差的問題。為有效解決這些問題,直線電機驅動抽油機應運而生。1直線電機驅動抽油機直線電機驅動抽油機改變了傳統抽油機的運動機理,直接利用直線電機的直線往復運動帶動抽油桿上下運動,從而達到舉升油井內液體的目的。該抽油機具有全新的工作原理和在控制方面采用多項高新技術,使得直線電機抽油機具有更加完善的運動性能、動力性能和平衡性能。該機改變了過去抽油機由旋轉運動轉變為直線運動的方法,由電能直接轉化為直線往復運動。其結構簡單、質量輕、占地面積小、調參方便、易于操作。與相同規格的常規抽油機相比,其質量和占地面積僅為常規抽油機的50%。特別是該抽油機系統效率高,上下沖程速度可以單獨無級調整,可用于稠油、深井和大排量抽油。該機的研制使國內外機械采油設備的研究提高到更高水平。圖1為一種直線電機驅動抽油機,該機采用平板形直線電機驅動。其主要結構為支架固定在底座上,上端帶有固定平臺,平臺上并列安裝有大輪和小輪,電機次級固定在支架內部,電機初級下部連接有配重箱,配重箱用來增減平衡重以調整整機平衡。驅動繩一端與懸繩器相聯,另一端連接在電機初級上。底座上安裝有通過DSP控制系統驅動的控制箱。直線電機驅動抽油機主要解決了現有抽油機無功消耗大、成本高、整體移運效率低的問題。其特征在于取消了旋轉電機驅動抽油機的減速器、連桿及曲柄傳動機構;電機與配重直接相聯接,有效利用了直線電機初級自重,使整機質量下降;由于傳動環節減少,使結構簡單緊湊,工作方便、靈活、效率高,省時省力,能量損失少,生產成本低;采用DSP驅動控制系統比變頻控制成本低,節能可達40%。修井作業時,卸去部分平衡重,電機上升,停止在距離上限位置一段距離時,安裝光桿卡子,再點動上提電機,卸載后停機、剎車,卸去負荷,電機下落到底部,卸去大輪,讓開井口,即可進行修井作業;正常抽油工作時,電機通過驅動繩繞過小輪和大輪,帶動懸繩器及抽油桿上下運動,完成抽油過程。2電機運動參數的調節掌握懸點的運動規律是研究抽油裝置動力學、確定抽油裝置基本參數及進行抽油裝置設計的基礎。由于采用直線電機作為抽油機的動力,用柔性件聯接,與常規抽油機相比沒有減速箱和較為復雜的四連桿機構,懸點的運動形式主要取決于直線電機的初級運動形式,即直線電機初級的速度、加速度的變化規律。而直線電機的初級運動變化規律直接取決于電機本身的性能。通過改變電機初級和次級之間的氣隙,或者改變初級中通電線圈的疏密程度來改變電機的運動參數,這樣電機的運動趨勢可以是各種形式的曲線,因而可以通過調節電機參數來達到所要求的運動規律。圖2為上、下沖程時間相等及加速、減速時間相等的直線電機抽油機懸點v-t(速度-時間)曲線,圖3為該種抽油機懸點aA-t(加速度-時間)曲線。圖2和圖3表明,懸點上沖程先是作勻加速運動到最大速度vmax,然后保持一段時間t2的勻速運動,再作勻減速運動到速度零,完成上沖程過程。懸點的下沖程與上沖程相同,只是加速度的方向發生了改變。根據圖2、圖3可以得到懸點位移的運動方程{s=12at2?t≤t1s=12at21+vmax(t-t1)?t1＜t≤t1+t2s=12at21+vmaxt2+12a(t-t1-t2)2?t1+t2<t≤2t1+t2s=12at21+vmaxt2-12a(t-2t1-t2)2?2t1+t2＜t≤3t1+t2s=12at21+vmaxt2-vmax(t-3t1-t2)?3t1+t2<t≤3t1+2t2s=12at21-12a(t-3t1-2t2)2?3t1+2t2<t≤4t1+2t2式中,s為懸點位移,m;a為懸點加速度,m/s2;t1為勻加、減速時間,s;t2為勻速時間,s;vmax為最大速度,(vmax=at1),m/s。3兩種抽油機的結果比較a)靜載荷的大小和變化規律分別對上沖程、下沖程、下死點和上死點4種情況進行分析,可知直線電機抽油機懸點靜載荷的大小和變化規律與常規抽油機的相同。b)動載荷的大小和變化規律在井較深、抽油機沖程、沖次較大的情況下,必須考慮到動載荷的影響。動載荷由慣性載荷和振動載荷2部分組成,直線電機抽油機懸點慣性載荷的計算公式同常規抽油機的計算公式,由于懸點的加速度不同,因此2種抽油機的懸點慣性載荷大小不同?？蓪ΤＲ幊橛蜋C和直線電機抽油機的懸點慣性載荷進行比較。圖4是常規抽油機懸點加速度aA隨曲柄轉角?變化的理想曲線。從圖中可以看出,加速度是隨曲柄轉角變化的余弦曲線。與圖3直線電機抽油機懸點aA-t曲線相比,抽油機在完成一個上沖程過程中,常規抽油機的懸點加速度aA是一個隨φ變化而變化的量,而直線電機抽油機懸點加速度aA只存在3種情況,即,大于0的常值、等于0和小于0的常值。由此可以看出,在上沖程過程中直線電機抽油機懸點慣性載荷在t1～t2時間段內為0值,而常規抽油機在上沖程過程中只有在90°處為0值,類似地在下沖程過程中也可以作比較。故直線電機抽油機與常規抽油機相比,具有懸點慣性載荷小,運動平穩的特點。4平衡重質量的確定根據直線抽油機電機上、下沖程作功相等這個準則可以計算平衡重重力。下沖程時,系統儲存的能量等于電機下沖程所作的功和下沖程抽油桿下落所作的功之和,即,A0=ADX+AXX,式中,A0為系統儲存的能量,N·m;ADX為電機下沖程所作的功,N·m;AXX為下沖程抽油桿下落所作的功,N·m。上沖程時,系統放出能量(等于儲存的能量)加電機上沖程所作的功等于上沖程提升抽油桿和油柱所作的功,即,AXS=A0+ADS),式中,AXS為上沖程提升抽油桿和油柱所作的功,N·m;ADS為電機上沖程所作的功,N·m。根據平衡原理,電機上、下沖程所作功相等,即由ADS=ADX有A0=(AXS+AXX)/2。結合懸點靜力示功圖(如圖5,圖中λ為活塞和抽油桿的彈性位移,m;S1為有效沖程,m)進行計算得A0=F′GS+12F′YS。由于電機與平衡重直接相聯接,可以求得S(FΡ+FD)=F′GS+12F′YS,即,平衡重重力FΡ=F′G+12F′Y-FD,式中,F′G為抽油桿在井液中的重力,N;F′Y為油管內、柱塞上的油柱重力,N;S為沖程,m;FP為平衡重重力,N;FD為電機初級的重力,N。5直線電機抽油機對游梁式抽油機增加各種附件,以改進其性能、提高效率,達到節能都不會有質的改進。因為每增加一個環節就必然會增加一份附加損耗。采用直線電機,舍棄了大部分變速傳動環節,直線電機抽油機具有更加完善的運動性