直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

目前，中國(guó)大部分油田處于中后期，對(duì)機(jī)械采井設(shè)備的開(kāi)發(fā)和研究技術(shù)的要求也越來(lái)越高。然而,多年來(lái)大量投入使用的抽油機(jī),無(wú)論是游梁式還是無(wú)梁式,其動(dòng)力設(shè)備都是旋轉(zhuǎn)電機(jī),都必須經(jīng)過(guò)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換和傳遞才能變成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這樣就不可避免地存在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低、“大馬拉小車(chē)”和系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問(wèn)題。為有效解決這些問(wèn)題,直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。1直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)改變了傳統(tǒng)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,直接利用直線電機(jī)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)抽油桿上下運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到舉升油井內(nèi)液體的目的。該抽油機(jī)具有全新的工作原理和在控制方面采用多項(xiàng)高新技術(shù),使得直線電機(jī)抽油機(jī)具有更加完善的運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)力性能和平衡性能。該機(jī)改變了過(guò)去抽油機(jī)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的方法,由電能直接轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、占地面積小、調(diào)參方便、易于操作。與相同規(guī)格的常規(guī)抽油機(jī)相比,其質(zhì)量和占地面積僅為常規(guī)抽油機(jī)的50%。特別是該抽油機(jī)系統(tǒng)效率高,上下沖程速度可以單獨(dú)無(wú)級(jí)調(diào)整,可用于稠油、深井和大排量抽油。該機(jī)的研制使國(guó)內(nèi)外機(jī)械采油設(shè)備的研究提高到更高水平。圖1為一種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī),該機(jī)采用平板形直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其主要結(jié)構(gòu)為支架固定在底座上,上端帶有固定平臺(tái),平臺(tái)上并列安裝有大輪和小輪,電機(jī)次級(jí)固定在支架內(nèi)部,電機(jī)初級(jí)下部連接有配重箱,配重箱用來(lái)增減平衡重以調(diào)整整機(jī)平衡。驅(qū)動(dòng)繩一端與懸繩器相聯(lián),另一端連接在電機(jī)初級(jí)上。底座上安裝有通過(guò)DSP控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的控制箱。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)主要解決了現(xiàn)有抽油機(jī)無(wú)功消耗大、成本高、整體移運(yùn)效率低的問(wèn)題。其特征在于取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的減速器、連桿及曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu);電機(jī)與配重直接相聯(lián)接,有效利用了直線電機(jī)初級(jí)自重,使整機(jī)質(zhì)量下降;由于傳動(dòng)環(huán)節(jié)減少,使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,工作方便、靈活、效率高,省時(shí)省力,能量損失少,生產(chǎn)成本低;采用DSP驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)比變頻控制成本低,節(jié)能可達(dá)40%。修井作業(yè)時(shí),卸去部分平衡重,電機(jī)上升,停止在距離上限位置一段距離時(shí),安裝光桿卡子,再點(diǎn)動(dòng)上提電機(jī),卸載后停機(jī)、剎車(chē),卸去負(fù)荷,電機(jī)下落到底部,卸去大輪,讓開(kāi)井口,即可進(jìn)行修井作業(yè);正常抽油工作時(shí),電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)繩繞過(guò)小輪和大輪,帶動(dòng)懸繩器及抽油桿上下運(yùn)動(dòng),完成抽油過(guò)程。2電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)掌握懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是研究抽油裝置動(dòng)力學(xué)、確定抽油裝置基本參數(shù)及進(jìn)行抽油裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于采用直線電機(jī)作為抽油機(jī)的動(dòng)力,用柔性件聯(lián)接,與常規(guī)抽油機(jī)相比沒(méi)有減速箱和較為復(fù)雜的四連桿機(jī)構(gòu),懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式主要取決于直線電機(jī)的初級(jí)運(yùn)動(dòng)形式,即直線電機(jī)初級(jí)的速度、加速度的變化規(guī)律。而直線電機(jī)的初級(jí)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律直接取決于電機(jī)本身的性能。通過(guò)改變電機(jī)初級(jí)和次級(jí)之間的氣隙,或者改變初級(jí)中通電線圈的疏密程度來(lái)改變電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),這樣電機(jī)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)可以是各種形式的曲線,因而可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)參數(shù)來(lái)達(dá)到所要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。圖2為上、下沖程時(shí)間相等及加速、減速時(shí)間相等的直線電機(jī)抽油機(jī)懸點(diǎn)v-t(速度-時(shí)間)曲線,圖3為該種抽油機(jī)懸點(diǎn)aA-t(加速度-時(shí)間)曲線。圖2和圖3表明,懸點(diǎn)上沖程先是作勻加速運(yùn)動(dòng)到最大速度vmax,然后保持一段時(shí)間t2的勻速運(yùn)動(dòng),再作勻減速運(yùn)動(dòng)到速度零,完成上沖程過(guò)程。懸點(diǎn)的下沖程與上沖程相同,只是加速度的方向發(fā)生了改變。根據(jù)圖2、圖3可以得到懸點(diǎn)位移的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)位移,m;a為懸點(diǎn)加速度,m/s2;t1為勻加、減速時(shí)間,s;t2為勻速時(shí)間,s;vmax為最大速度,(vmax=at1),m/s。3兩種抽油機(jī)的結(jié)果比較a)靜載荷的大小和變化規(guī)律分別對(duì)上沖程、下沖程、下死點(diǎn)和上死點(diǎn)4種情況進(jìn)行分析,可知直線電機(jī)抽油機(jī)懸點(diǎn)靜載荷的大小和變化規(guī)律與常規(guī)抽油機(jī)的相同。b)動(dòng)載荷的大小和變化規(guī)律在井較深、抽油機(jī)沖程、沖次較大的情況下,必須考慮到動(dòng)載荷的影響。動(dòng)載荷由慣性載荷和振動(dòng)載荷2部分組成,直線電機(jī)抽油機(jī)懸點(diǎn)慣性載荷的計(jì)算公式同常規(guī)抽油機(jī)的計(jì)算公式,由于懸點(diǎn)的加速度不同,因此2種抽油機(jī)的懸點(diǎn)慣性載荷大小不同?？蓪?duì)常規(guī)抽油機(jī)和直線電機(jī)抽油機(jī)的懸點(diǎn)慣性載荷進(jìn)行比較。圖4是常規(guī)抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度aA隨曲柄轉(zhuǎn)角?變化的理想曲線。從圖中可以看出,加速度是隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的余弦曲線。與圖3直線電機(jī)抽油機(jī)懸點(diǎn)aA-t曲線相比,抽油機(jī)在完成一個(gè)上沖程過(guò)程中,常規(guī)抽油機(jī)的懸點(diǎn)加速度aA是一個(gè)隨φ變化而變化的量,而直線電機(jī)抽油機(jī)懸點(diǎn)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(guò)程中直線電機(jī)抽油機(jī)懸點(diǎn)慣性載荷在t1～t2時(shí)間段內(nèi)為0值,而常規(guī)抽油機(jī)在上沖程過(guò)程中只有在90°處為0值,類(lèi)似地在下沖程過(guò)程中也可以作比較。故直線電機(jī)抽油機(jī)與常規(guī)抽油機(jī)相比,具有懸點(diǎn)慣性載荷小,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)。4平衡重質(zhì)量的確定根據(jù)直線抽油機(jī)電機(jī)上、下沖程作功相等這個(gè)準(zhǔn)則可以計(jì)算平衡重重力。下沖程時(shí),系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量等于電機(jī)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(tǒng)儲(chǔ)存的能量,N·m;ADX為電機(jī)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(shí),系統(tǒng)放出能量(等于儲(chǔ)存的能量)加電機(jī)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(jī)上沖程所作的功,N·m。根據(jù)平衡原理,電機(jī)上、下沖程所作功相等,即由ADS=ADX有A0=(AXS+AXX)/2。結(jié)合懸點(diǎn)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(jìn)行計(jì)算得A0=F′GS+12F′YS。由于電機(jī)與平衡重直接相聯(lián)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(nèi)、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(jī)初級(jí)的重力,N。5直線電機(jī)抽油機(jī)對(duì)游梁式抽油機(jī)增加各種附件,以改進(jìn)其性能、提高效率,達(dá)到節(jié)能都不會(huì)有質(zhì)的改進(jìn)。因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)環(huán)節(jié)就必然會(huì)增加一份附加損耗。采用直線電機(jī),舍棄了大部分變速傳動(dòng)環(huán)節(jié),直線電機(jī)抽油機(jī)具有更加完善的運(yùn)動(dòng)性