直线电机驱动抽油机的结构分析

直线电机驱动抽油机的结构分析

目前，中国大部分油田处于中后期，对机械采井设备的开发和研究技术的要求也越来越高。然而,多年来大量投入使用的抽油机,无论是游梁式还是无梁式,其动力设备都是旋转电机,都必须经过复杂的能量转换和传递才能变成直线往复运动。这样就不可避免地存在系统转换效率低、“大马拉小车”和系统稳定性差的问题。为有效解决这些问题,直线电机驱动抽油机应运而生。1直线电机驱动抽油机直线电机驱动抽油机改变了传统抽油机的运动机理,直接利用直线电机的直线往复运动带动抽油杆上下运动,从而达到举升油井内液体的目的。该抽油机具有全新的工作原理和在控制方面采用多项高新技术,使得直线电机抽油机具有更加完善的运动性能、动力性能和平衡性能。该机改变了过去抽油机由旋转运动转变为直线运动的方法,由电能直接转化为直线往复运动。其结构简单、质量轻、占地面积小、调参方便、易于操作。与相同规格的常规抽油机相比,其质量和占地面积仅为常规抽油机的50%。特别是该抽油机系统效率高,上下冲程速度可以单独无级调整,可用于稠油、深井和大排量抽油。该机的研制使国内外机械采油设备的研究提高到更高水平。图1为一种直线电机驱动抽油机,该机采用平板形直线电机驱动。其主要结构为支架固定在底座上,上端带有固定平台,平台上并列安装有大轮和小轮,电机次级固定在支架内部,电机初级下部连接有配重箱,配重箱用来增减平衡重以调整整机平衡。驱动绳一端与悬绳器相联,另一端连接在电机初级上。底座上安装有通过DSP控制系统驱动的控制箱。直线电机驱动抽油机主要解决了现有抽油机无功消耗大、成本高、整体移运效率低的问题。其特征在于取消了旋转电机驱动抽油机的减速器、连杆及曲柄传动机构;电机与配重直接相联接,有效利用了直线电机初级自重,使整机质量下降;由于传动环节减少,使结构简单紧凑,工作方便、灵活、效率高,省时省力,能量损失少,生产成本低;采用DSP驱动控制系统比变频控制成本低,节能可达40%。修井作业时,卸去部分平衡重,电机上升,停止在距离上限位置一段距离时,安装光杆卡子,再点动上提电机,卸载后停机、刹车,卸去负荷,电机下落到底部,卸去大轮,让开井口,即可进行修井作业;正常抽油工作时,电机通过驱动绳绕过小轮和大轮,带动悬绳器及抽油杆上下运动,完成抽油过程。2电机运动参数的调节掌握悬点的运动规律是研究抽油装置动力学、确定抽油装置基本参数及进行抽油装置设计的基础。由于采用直线电机作为抽油机的动力,用柔性件联接,与常规抽油机相比没有减速箱和较为复杂的四连杆机构,悬点的运动形式主要取决于直线电机的初级运动形式,即直线电机初级的速度、加速度的变化规律。而直线电机的初级运动变化规律直接取决于电机本身的性能。通过改变电机初级和次级之间的气隙,或者改变初级中通电线圈的疏密程度来改变电机的运动参数,这样电机的运动趋势可以是各种形式的曲线,因而可以通过调节电机参数来达到所要求的运动规律。图2为上、下冲程时间相等及加速、减速时间相等的直线电机抽油机悬点v-t(速度-时间)曲线,图3为该种抽油机悬点aA-t(加速度-时间)曲线。图2和图3表明,悬点上冲程先是作匀加速运动到最大速度vmax,然后保持一段时间t2的匀速运动,再作匀减速运动到速度零,完成上冲程过程。悬点的下冲程与上冲程相同,只是加速度的方向发生了改变。根据图2、图3可以得到悬点位移的运动方程{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为悬点位移,m;a为悬点加速度,m/s2;t1为匀加、减速时间,s;t2为匀速时间,s;vmax为最大速度,(vmax=at1),m/s。3两种抽油机的结果比较a)静载荷的大小和变化规律分别对上冲程、下冲程、下死点和上死点4种情况进行分析,可知直线电机抽油机悬点静载荷的大小和变化规律与常规抽油机的相同。b)动载荷的大小和变化规律在井较深、抽油机冲程、冲次较大的情况下,必须考虑到动载荷的影响。动载荷由惯性载荷和振动载荷2部分组成,直线电机抽油机悬点惯性载荷的计算公式同常规抽油机的计算公式,由于悬点的加速度不同,因此2种抽油机的悬点惯性载荷大小不同。可对常规抽油机和直线电机抽油机的悬点惯性载荷进行比较。图4是常规抽油机悬点加速度aA随曲柄转角ϕ变化的理想曲线。从图中可以看出,加速度是随曲柄转角变化的余弦曲线。与图3直线电机抽油机悬点aA-t曲线相比,抽油机在完成一个上冲程过程中,常规抽油机的悬点加速度aA是一个随φ变化而变化的量,而直线电机抽油机悬点加速度aA只存在3种情况,即,大于0的常值、等于0和小于0的常值。由此可以看出,在上冲程过程中直线电机抽油机悬点惯性载荷在t1～t2时间段内为0值,而常规抽油机在上冲程过程中只有在90°处为0值,类似地在下冲程过程中也可以作比较。故直线电机抽油机与常规抽油机相比,具有悬点惯性载荷小,运动平稳的特点。4平衡重质量的确定根据直线抽油机电机上、下冲程作功相等这个准则可以计算平衡重重力。下冲程时,系统储存的能量等于电机下冲程所作的功和下冲程抽油杆下落所作的功之和,即,A0=ADX+AXX,式中,A0为系统储存的能量,N·m;ADX为电机下冲程所作的功,N·m;AXX为下冲程抽油杆下落所作的功,N·m。上冲程时,系统放出能量(等于储存的能量)加电机上冲程所作的功等于上冲程提升抽油杆和油柱所作的功,即,AXS=A0+ADS),式中,AXS为上冲程提升抽油杆和油柱所作的功,N·m;ADS为电机上冲程所作的功,N·m。根据平衡原理,电机上、下冲程所作功相等,即由ADS=ADX有A0=(AXS+AXX)/2。结合悬点静力示功图(如图5,图中λ为活塞和抽油杆的弹性位移,m;S1为有效冲程,m)进行计算得A0=F´GS+12F´YS。由于电机与平衡重直接相联接,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为抽油杆在井液中的重力,N;F′Y为油管内、柱塞上的油柱重力,N;S为冲程,m;FP为平衡重重力,N;FD为电机初级的重力,N。5直线电机抽油机对游梁式抽油机增加各种附件,以改进其性能、提高效率,达到节能都不会有质的改进。因为每增加一个环节就必然会增加一份附加损耗。采用直线电机,舍弃了大部分变速传动环节,直线电机抽油机具有更加完善的运动性