直線電磁抽油機(jī)的設(shè)計(jì)

直線電磁抽油機(jī)的設(shè)計(jì)

r-lid式擠出機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、維護(hù)方便、可靠性好等。但它們的不足之處是:①須借助減速器和四連桿機(jī)構(gòu)等中間環(huán)節(jié)把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),因而驢頭懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度較大,平衡效果差;②使用減速器和四連桿機(jī)構(gòu)等較多的中間環(huán)節(jié),造成系統(tǒng)效率很低;③在長(zhǎng)沖程時(shí)體積變得龐大且笨重,使用材料多,造價(jià)高。由于有桿抽油設(shè)備受油井載荷特性和其自身特點(diǎn)的影響,使其系統(tǒng)的效率低下。目前,在我國(guó)的大部分油田,采油設(shè)備的能耗已占油田總能耗的1/3左右,出現(xiàn)了高能耗、低產(chǎn)出的現(xiàn)象,電費(fèi)支出驚人。為改變這種現(xiàn)象,目前主要采用高轉(zhuǎn)差(或超高轉(zhuǎn)差)電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)、大起動(dòng)力矩多速電動(dòng)機(jī)等。此外,在采用繞線式異步電機(jī)、Y/Δ轉(zhuǎn)換電動(dòng)機(jī)、節(jié)能蓄能器等實(shí)現(xiàn)節(jié)能方面也做了大量的研究工作。目前油田用電動(dòng)機(jī)的節(jié)能方法主要有兩個(gè):一是通過(guò)改變電源或進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改進(jìn)來(lái)改變油田用電機(jī)的外機(jī)械特性,從而改變電機(jī)與抽油機(jī)的系統(tǒng)配合,提高系統(tǒng)效率,達(dá)到節(jié)能的目的;二是通過(guò)提高電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率、功率因數(shù)提高電機(jī)本身的效率來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此外,通過(guò)對(duì)抽油機(jī)加裝超越離合器、為游梁式抽油機(jī)配置彈簧等方法實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這些努力都是在原有的游梁式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)施的改良。因而,這些方法不能擺脫其固有的缺點(diǎn)。為此筆者結(jié)合直線電機(jī)技術(shù)和有桿采油技術(shù),提出了以直接驅(qū)動(dòng)為目的的直線電磁抽油機(jī)的構(gòu)想。1變化幅度減弱直線電磁抽油機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)架、橫梁、平衡重物、滾輪、鋼絲繩、大推力直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)等幾部分組成。在該系統(tǒng)中仍然利用平衡重物的升降來(lái)改變位能在系統(tǒng)內(nèi)部的分配以實(shí)現(xiàn)平衡,從而使直線電機(jī)在上、下沖程里的推力幅值的變化幅度減小,也就是通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)钠胶庵厥钩橛蜅U自重升降所消耗的能量減少到最小值,這樣就提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。為了使電磁抽油機(jī)具有更廣泛的適應(yīng)性和可控性,在整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上采取模塊化的方案?？梢酝ㄟ^(guò)改變直線電機(jī)定子長(zhǎng)度的方法來(lái)調(diào)整直線電磁抽油機(jī)的最大沖程;而沖次的調(diào)節(jié)可以通過(guò)對(duì)抽油機(jī)上、下沖程的運(yùn)行速度的控制很方便地實(shí)現(xiàn)。這種方案也完全符合抽油機(jī)向長(zhǎng)沖程、低沖次方向發(fā)展的趨勢(shì)。此外,可以按有桿抽油系統(tǒng)載荷隨上、下沖程位置不同而變化的規(guī)律,調(diào)節(jié)直線電機(jī)的推力指標(biāo),使之與載荷的變化情況相適應(yīng),從而使直線電機(jī)的出力與載荷達(dá)到盡可能好的匹配,這樣可以大大提高系統(tǒng)的效率。另外,針對(duì)目前世界上大量使用的游梁式抽油機(jī),也可以在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,即采用直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),而保留原來(lái)的旋轉(zhuǎn)平衡方式和游梁、驢頭等機(jī)構(gòu)。2大相沖程線電阻器的開(kāi)發(fā)2.1實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)直線電機(jī)也有很多種類(lèi)型。在有桿抽油系統(tǒng)中,采用哪種形式的直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源,目前還沒(méi)有可以借鑒的例子。由于有桿抽油系統(tǒng)的載荷在一定范圍內(nèi)做周期性的變化,而且懸點(diǎn)和抽油桿柱的運(yùn)動(dòng)速度也是周期性變化,由各種類(lèi)型電機(jī)的效率曲線的對(duì)比可知,直流電機(jī)的效率曲線在高效區(qū)相對(duì)平滑。也就是說(shuō),當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩或推力在一定范圍內(nèi)變化時(shí),直流電機(jī)的平均效率較高。所以在本模型設(shè)計(jì)中仍采用直流直線電機(jī)。模型樣機(jī)采用稀土永磁材料釹、鐵、硼作為永久磁極,與電磁式直流電機(jī)相比有很多優(yōu)越性:①單位體積的出力較大;②稀土永磁體的退磁曲線呈線性,無(wú)須進(jìn)行穩(wěn)定處理,抗去磁能力強(qiáng),適于在具有較強(qiáng)去磁的動(dòng)態(tài)條件下工作(這也適合直線電磁抽油機(jī)頻繁啟動(dòng)的特點(diǎn));③無(wú)勵(lì)磁繞組,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,節(jié)省了用銅量,降低了能耗,提高了效率和可靠性。由于直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)上的差異,即由于鐵心及繞組在縱向和橫向的斷開(kāi),導(dǎo)致了直線電機(jī)存在邊端效應(yīng)。這些邊端效應(yīng)都是以增加附加損耗、減少直線電機(jī)的有效輸出為結(jié)果的,有時(shí)嚴(yán)重影響了直線電機(jī)的性能和指標(biāo)。為此,本樣機(jī)中采用圓筒型的結(jié)構(gòu),以消除橫向邊端效應(yīng),同時(shí)也便于加工。在本實(shí)驗(yàn)裝置中采用如圖2所示結(jié)構(gòu)的動(dòng)線圈型直線電機(jī)。電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案,以便于在工作中調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo),同時(shí)降低了工藝難度。圓筒型的定子鐵軛同時(shí)作為電機(jī)的外殼,由多段低碳鋼管同軸壓裝到一起而成。定子內(nèi)腔粘貼永磁體,永磁體的極性在軸向上相間分布。在圓周方向上由多塊相同充磁方向的小塊磁鋼拼裝成圓環(huán)型磁極,內(nèi)圓周為N(或S)極。這樣在定子內(nèi)腔就形成了N—S極相間分布的環(huán)型磁極,并且在整個(gè)行程上的結(jié)構(gòu)是一致的。設(shè)計(jì)的電機(jī)各項(xiàng)參數(shù):外徑為170mm,定子內(nèi)徑為126mm,動(dòng)子行程為200mm,氣隙磁密的平均值為0.85T,極距為35mm,每相線圈數(shù)為3,定子極數(shù)為12,槽數(shù)為27,每槽導(dǎo)體數(shù)為25,繞組電流為5A,每對(duì)極下齒槽數(shù)為9,繞組電阻為2.44Ω。2.2電機(jī)產(chǎn)生的推力和電流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力可用下式進(jìn)行計(jì)算:f=BIL(1)f=BΙL(1)式中B為導(dǎo)體所處位置的磁密,T;L為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度,mm;I為導(dǎo)體中流過(guò)的電流,A。設(shè)電機(jī)在圓周方向各處的氣隙磁密是相同的,動(dòng)子外徑為D,則每匝線圈所受的電磁力為fc=πDBgIc(2)fc=πDBgΙc(2)式中Bg為氣隙磁密;Ic為線圈中的電流。每個(gè)線圈的受力為fw=πDWcBgIc(3)fw=πDWcBgΙc(3)式中Wc為每個(gè)線圈的匝數(shù)。一個(gè)線圈在軸向不同位置時(shí),由于所處氣隙磁密不同,所以受力也不同。設(shè)氣隙磁密的平均值為Bav,則線圈在任何位置受力的平均值為fw=πDWcBavIc(4)fw=πDWcBavΙc(4)動(dòng)子軸向分布多個(gè)線圈的總匝數(shù)為W,則動(dòng)子受到的總電磁力為f=πDWBavIc(5)f=πDWBavΙc(5)電機(jī)繞組連接成一對(duì)支路。線圈電流是電機(jī)總電流的1/2。設(shè)電樞電流為I,則f=π2DWBavI(6)f=π2DWBavΙ(6)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電勢(shì)可表示為e=Bglv(7)e=Bglv(7)式中l(wèi)為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度,v為導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度。同上述受力的分析相似,每匝線圈產(chǎn)生的電勢(shì)為Ec=πDBgv(8)Ec=πDBgv(8)每個(gè)線圈各匝是串聯(lián)的,產(chǎn)生的電勢(shì)之和為Ew=πDWcBgv(9)Ew=πDWcBgv(9)線圈產(chǎn)生的平均電勢(shì)為Ew=πDWcBavv(10)Ew=πDWcBavv(10)由于電機(jī)繞組連接成一對(duì)支路,每個(gè)支路串聯(lián)的匝數(shù)為總匝數(shù)的1/2,所以產(chǎn)生的總電勢(shì)為E=π2DWBavv(11)E=π2DWBavv(11)若定義C=πDWBav/2為這種電機(jī)的電機(jī)常數(shù),則電機(jī)的總推力為F=CI(12)F=CΙ(12)電機(jī)反電勢(shì)為E=Cv(13)E=Cv(13)設(shè)動(dòng)子軸向有P對(duì)極,極距為τ,電機(jī)常數(shù)也可以表示為C=WP2PτπDτBav=PA?(14)C=WΡ2ΡτπDτBav=ΡA?(14)式中A為動(dòng)子的軸向單位長(zhǎng)度匝數(shù),A=W/(2Pτ);?為每極磁通量,?=πDτBav。由上述分析可知,這種電機(jī)產(chǎn)生的推力和電勢(shì)與氣隙磁密、總匝數(shù)、動(dòng)子外徑、每極磁通量、軸向線負(fù)荷、極對(duì)數(shù)等均成正比關(guān)系。圖3給出了兩輪模型樣機(jī)的電流?推力特性曲線。3懸點(diǎn)速度的數(shù)值仿真利用目前感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的有桿抽油系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算機(jī)仿真方法,研究了直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的有桿抽油系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律及其工作狀況。這個(gè)新系統(tǒng)由直線電機(jī)系統(tǒng)、主體框架機(jī)構(gòu)、抽油桿柱、油管柱等7個(gè)子系統(tǒng)所組成。在建立這一新系統(tǒng)的仿真模型時(shí),假設(shè):①不考慮系統(tǒng)中地面?zhèn)鲃?dòng)裝置各傳動(dòng)副間的間隙與傳動(dòng)件的彈性變形;②油管下端錨定,不考慮油管內(nèi)液柱與油套環(huán)空液柱的振動(dòng);③抽油桿柱與油管柱同心;④油井是垂直的。在上述假設(shè)的條件下,以懸點(diǎn)為分界點(diǎn)分別建立各子系統(tǒng)或模塊的力學(xué)與數(shù)學(xué)模型。直線電機(jī)是一個(gè)機(jī)電系統(tǒng),因而它的運(yùn)行方程可以由電系統(tǒng)的電壓平衡方程式和機(jī)械系統(tǒng)的力平衡方程式來(lái)組成。電機(jī)的電勢(shì)平衡方程式為u=RI+LdIdt+E(15)u=RΙ+LdΙdt+E(15)式中u為電機(jī)的端電壓,L為繞組電感,R為電機(jī)繞組的電阻,I為繞組電流,E為反電勢(shì)。直線電機(jī)的力平衡方程式為md2xdt2+Ddxdt+Kx=F±FJ±m(xù)g(16)md2xdt2+Ddxdt+Κx=F±FJ±m(xù)g(16)式中m為動(dòng)子和平衡重物的質(zhì)量,D為粘性阻尼系數(shù);K為彈簧的剛度;F為直線電機(jī)輸出推力;FJ為負(fù)載力(懸點(diǎn)載荷)。在本系統(tǒng)中,由于電機(jī)是垂直放置的,因而電機(jī)動(dòng)子自重和平衡重物的作用一樣要參與做功?？紤]到直線電機(jī)的支撐采用直線軸承,根據(jù)模型的假設(shè)條件:D=0,K=0,由直線電機(jī)的運(yùn)行方程組可以方便地推導(dǎo)出直線電機(jī)的狀態(tài)方程,即用狀態(tài)變量表示的一組一階微分方程式為?????????dIdt=1L(u?RI?E)dxdt=vdvdt=1m(F±m(xù)g?FJ)(17){dΙdt=1L(u-RΙ-E)dxdt=vdvdt=1m(F±m(xù)g?FJ)(17)由于調(diào)整沖次(就是調(diào)整直線電機(jī)運(yùn)行速度)屬于系統(tǒng)的外部活動(dòng),所以,懸點(diǎn)速度的變化規(guī)律為v=f(t)。在研究抽油桿柱的縱向振動(dòng)時(shí),采用傳統(tǒng)的阻尼—彈簧—質(zhì)量系統(tǒng),只考慮單級(jí)桿柱的情況。各單元的仿真模型的綜合構(gòu)成了系統(tǒng)的仿真模型。本文選定一口典型油井,并據(jù)此設(shè)計(jì)了工程用直線電機(jī)的基本參數(shù),采用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)了仿真程序。懸點(diǎn)速度按梯形規(guī)律變化時(shí)的仿真結(jié)果如圖4至圖7所示。油井的基本參數(shù):泵徑為36mm,下泵深度為1600m,動(dòng)液面深度為1400m,井液密度為0.95t/m3,油管直徑為62mm,光桿沖程為3m,沖次為6次/min,抽油桿柱直徑為22mm,抽油桿材料密度為7880kg/m3。工程用直線電機(jī)基本參數(shù):外徑為550mm;定子內(nèi)徑為400mm;動(dòng)子行程為3000mm;平均氣隙磁密度為0.75T;極距為76.5mm;動(dòng)子有效長(zhǎng)度為1080mm;每槽導(dǎo)體數(shù)27;槽數(shù)63;槽距17mm;線規(guī):1×7mm,單線;電壓為750V;電樞回路總電阻為1.245Ω;最大推力為25kN。由仿真結(jié)果可以看出(懸點(diǎn)速度按三角形和正弦規(guī)律變化情況未給出),懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度按梯形規(guī)律變化時(shí),懸點(diǎn)載荷的最大值和載荷的變動(dòng)范圍最小,直線電機(jī)推力的最大值約為17kN,系統(tǒng)的運(yùn)行平均效率比較高,但懸點(diǎn)載荷和電機(jī)推力的變化稍微劇烈。這種特性也有利于系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程。4直線電磁抽油機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用(1)提出了以直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的直線電磁抽油機(jī)的研究方案。突破了在游梁式抽油機(jī)上進(jìn)行改良的模式的限制,將大功率直線電機(jī)技術(shù)同采油工藝技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái),為解決有桿采油技術(shù)存在的問(wèn)題,探索了一條新的途徑。(2)設(shè)計(jì)了直線電磁抽油機(jī)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),研制了小比例模型樣機(jī)。新系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)鏈短、沖程、沖次可以方便調(diào)節(jié)、占地面積小、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于海上采油平臺(tái)、叢式井等環(huán)境。研制了抽油機(jī)用九相永磁無(wú)刷直流直線電機(jī)的小尺寸模型樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)研究表明,測(cè)試結(jié)果與理論分析、計(jì)算結(jié)果有很好的一致性,說(shuō)明了理論分析和計(jì)算方法的