直線電磁抽油機的設計

直線電磁抽油機的設計

r-lid式擠出機的特點是結構簡單、易于制造、維護方便、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構等中間環(huán)節(jié)把電動機的旋轉運動變?yōu)橹本€運動,因而驢頭懸點運動的加速度較大,平衡效果差;②使用減速器和四連桿機構等較多的中間環(huán)節(jié),造成系統(tǒng)效率很低;③在長沖程時體積變得龐大且笨重,使用材料多,造價高。由于有桿抽油設備受油井載荷特性和其自身特點的影響,使其系統(tǒng)的效率低下。目前,在我國的大部分油田,采油設備的能耗已占油田總能耗的1/3左右,出現了高能耗、低產出的現象,電費支出驚人。為改變這種現象,目前主要采用高轉差(或超高轉差)電動機、變頻調速電動機、永磁同步電機、大起動力矩多速電動機等。此外,在采用繞線式異步電機、Y/Δ轉換電動機、節(jié)能蓄能器等實現節(jié)能方面也做了大量的研究工作。目前油田用電動機的節(jié)能方法主要有兩個:一是通過改變電源或進行結構設計上的改進來改變油田用電機的外機械特性,從而改變電機與抽油機的系統(tǒng)配合,提高系統(tǒng)效率,達到節(jié)能的目的;二是通過提高電動機的負荷率、功率因數提高電機本身的效率來實現節(jié)能。此外,通過對抽油機加裝超越離合器、為游梁式抽油機配置彈簧等方法實現節(jié)能。這些努力都是在原有的游梁式抽油機的基礎上實施的改良。因而,這些方法不能擺脫其固有的缺點。為此筆者結合直線電機技術和有桿采油技術,提出了以直接驅動為目的的直線電磁抽油機的構想。1變化幅度減弱直線電磁抽油機的總體結構如圖1所示。整個系統(tǒng)由機架、橫梁、平衡重物、滾輪、鋼絲繩、大推力直線電機及其驅動控制系統(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改變位能在系統(tǒng)內部的分配以實現平衡,從而使直線電機在上、下沖程里的推力幅值的變化幅度減小,也就是通過選擇適當的平衡重使抽油桿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。為了使電磁抽油機具有更廣泛的適應性和可控性,在整體結構的設計上采取模塊化的方案?？梢酝ㄟ^改變直線電機定子長度的方法來調整直線電磁抽油機的最大沖程;而沖次的調節(jié)可以通過對抽油機上、下沖程的運行速度的控制很方便地實現。這種方案也完全符合抽油機向長沖程、低沖次方向發(fā)展的趨勢。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,調節(jié)直線電機的推力指標,使之與載荷的變化情況相適應,從而使直線電機的出力與載荷達到盡可能好的匹配,這樣可以大大提高系統(tǒng)的效率。另外,針對目前世界上大量使用的游梁式抽油機,也可以在原有的基礎上進行改造,即采用直線電機進行驅動,而保留原來的旋轉平衡方式和游梁、驢頭等機構。2大相沖程線電阻器的開發(fā)2.1實驗裝置的設計直線電機也有很多種類型。在有桿抽油系統(tǒng)中,采用哪種形式的直線電機作為驅動源,目前還沒有可以借鑒的例子。由于有桿抽油系統(tǒng)的載荷在一定范圍內做周期性的變化,而且懸點和抽油桿柱的運動速度也是周期性變化,由各種類型電機的效率曲線的對比可知,直流電機的效率曲線在高效區(qū)相對平滑。也就是說,當輸出轉矩或推力在一定范圍內變化時,直流電機的平均效率較高。所以在本模型設計中仍采用直流直線電機。模型樣機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,無須進行穩(wěn)定處理,抗去磁能力強,適于在具有較強去磁的動態(tài)條件下工作(這也適合直線電磁抽油機頻繁啟動的特點);③無勵磁繞組,結構簡單,節(jié)省了用銅量,降低了能耗,提高了效率和可靠性。由于直線電機與旋轉電機結構上的差異,即由于鐵心及繞組在縱向和橫向的斷開,導致了直線電機存在邊端效應。這些邊端效應都是以增加附加損耗、減少直線電機的有效輸出為結果的,有時嚴重影響了直線電機的性能和指標。為此,本樣機中采用圓筒型的結構,以消除橫向邊端效應,同時也便于加工。在本實驗裝置中采用如圖2所示結構的動線圈型直線電機。電機的整體結構采用模塊化的設計方案,以便于在工作中調整系統(tǒng)的參數指標,同時降低了工藝難度。圓筒型的定子鐵軛同時作為電機的外殼,由多段低碳鋼管同軸壓裝到一起而成。定子內腔粘貼永磁體,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,內圓周為N(或S)極。這樣在定子內腔就形成了N—S極相間分布的環(huán)型磁極,并且在整個行程上的結構是一致的。設計的電機各項參數:外徑為170mm,定子內徑為126mm,動子行程為200mm,氣隙磁密的平均值為0.85T,極距為35mm,每相線圈數為3,定子極數為12,槽數為27,每槽導體數為25,繞組電流為5A,每對極下齒槽數為9,繞組電阻為2.44Ω。2.2電機產生的推力和電流導體在磁場中受力可用下式進行計算:f=BIL(1)f=BΙL(1)式中B為導體所處位置的磁密,T;L為導體的有效長度,mm;I為導體中流過的電流,A。設電機在圓周方向各處的氣隙磁密是相同的,動子外徑為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。每個線圈的受力為fw=πDWcBgIc(3)fw=πDWcBgΙc(3)式中Wc為每個線圈的匝數。一個線圈在軸向不同位置時,由于所處氣隙磁密不同,所以受力也不同。設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)動子軸向分布多個線圈的總匝數為W,則動子受到的總電磁力為f=πDWBavIc(5)f=πDWBavΙc(5)電機繞組連接成一對支路。線圈電流是電機總電流的1/2。設電樞電流為I,則f=π2DWBavI(6)f=π2DWBavΙ(6)導體在磁場中運動產生的電勢可表示為e=Bglv(7)e=Bglv(7)式中l(wèi)為導體的有效長度,v為導體運動速度。同上述受力的分析相似,每匝線圈產生的電勢為Ec=πDBgv(8)Ec=πDBgv(8)每個線圈各匝是串聯的,產生的電勢之和為Ew=πDWcBgv(9)Ew=πDWcBgv(9)線圈產生的平均電勢為Ew=πDWcBavv(10)Ew=πDWcBavv(10)由于電機繞組連接成一對支路,每個支路串聯的匝數為總匝數的1/2,所以產生的總電勢為E=π2DWBavv(11)E=π2DWBavv(11)若定義C=πDWBav/2為這種電機的電機常數,則電機的總推力為F=CI(12)F=CΙ(12)電機反電勢為E=Cv(13)E=Cv(13)設動子軸向有P對極,極距為τ,電機常數也可以表示為C=WP2PτπDτBav=PA?(14)C=WΡ2ΡτπDτBav=ΡA?(14)式中A為動子的軸向單位長度匝數,A=W/(2Pτ);?為每極磁通量,?=πDτBav。由上述分析可知,這種電機產生的推力和電勢與氣隙磁密、總匝數、動子外徑、每極磁通量、軸向線負荷、極對數等均成正比關系。圖3給出了兩輪模型樣機的電流?推力特性曲線。3懸點速度的數值仿真利用目前感應電機驅動的有桿抽油系統(tǒng)動態(tài)參數的計算機仿真方法,研究了直線電機直接驅動的有桿抽油系統(tǒng)的動態(tài)參數的變化規(guī)律及其工作狀況。這個新系統(tǒng)由直線電機系統(tǒng)、主體框架機構、抽油桿柱、油管柱等7個子系統(tǒng)所組成。在建立這一新系統(tǒng)的仿真模型時,假設:①不考慮系統(tǒng)中地面?zhèn)鲃友b置各傳動副間的間隙與傳動件的彈性變形;②油管下端錨定,不考慮油管內液柱與油套環(huán)空液柱的振動;③抽油桿柱與油管柱同心;④油井是垂直的。在上述假設的條件下,以懸點為分界點分別建立各子系統(tǒng)或模塊的力學與數學模型。直線電機是一個機電系統(tǒng),因而它的運行方程可以由電系統(tǒng)的電壓平衡方程式和機械系統(tǒng)的力平衡方程式來組成。電機的電勢平衡方程式為u=RI+LdIdt+E(15)u=RΙ+LdΙdt+E(15)式中u為電機的端電壓,L為繞組電感,R為電機繞組的電阻,I為繞組電流,E為反電勢。直線電機的力平衡方程式為md2xdt2+Ddxdt+Kx=F±FJ±m(xù)g(16)md2xdt2+Ddxdt+Κx=F±FJ±m(xù)g(16)式中m為動子和平衡重物的質量,D為粘性阻尼系數;K為彈簧的剛度;F為直線電機輸出推力;FJ為負載力(懸點載荷)。在本系統(tǒng)中,由于電機是垂直放置的,因而電機動子自重和平衡重物的作用一樣要參與做功?？紤]到直線電機的支撐采用直線軸承,根據模型的假設條件:D=0,K=0,由直線電機的運行方程組可以方便地推導出直線電機的狀態(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)由于調整沖次(就是調整直線電機運行速度)屬于系統(tǒng)的外部活動,所以,懸點速度的變化規(guī)律為v=f(t)。在研究抽油桿柱的縱向振動時,采用傳統(tǒng)的阻尼—彈簧—質量系統(tǒng),只考慮單級桿柱的情況。各單元的仿真模型的綜合構成了系統(tǒng)的仿真模型。本文選定一口典型油井,并據此設計了工程用直線電機的基本參數,采用MATLAB語言編寫了仿真程序。懸點速度按梯形規(guī)律變化時的仿真結果如圖4至圖7所示。油井的基本參數:泵徑為36mm,下泵深度為1600m,動液面深度為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。工程用直線電機基本參數:外徑為550mm;定子內徑為400mm;動子行程為3000mm;平均氣隙磁密度為0.75T;極距為76.5mm;動子有效長度為1080mm;每槽導體數27;槽數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。由仿真結果可以看出(懸點速度按三角形和正弦規(guī)律變化情況未給出),懸點運動速度按梯形規(guī)律變化時,懸點載荷的最大值和載荷的變動范圍最小,直線電機推力的最大值約為17kN,系統(tǒng)的運行平均效率比較高,但懸點載荷和電機推力的變化稍微劇烈。這種特性也有利于系統(tǒng)的起動過程。4直線電磁抽油機系統(tǒng)的應用(1)提出了以直線電機直接驅動的直線電磁抽油機的研究方案。突破了在游梁式抽油機上進行改良的模式的限制,將大功率直線電機技術同采油工藝技術有機結合起來,為解決有桿采油技術存在的問題,探索了一條新的途徑。(2)設計了直線電磁抽油機系統(tǒng)的總體結構,研制了小比例模型樣機。新系統(tǒng)具有結構簡單、傳動鏈短、沖程、沖次可以方便調節(jié)、占地面積小、適應性強等優(yōu)點,尤其適用于海上采油平臺、叢式井等環(huán)境。研制了抽油機用九相永磁無刷直流直線電機的小尺寸模型樣機。實驗研究表明,測試結果與理論分析、計算結果有很好的一致性,說明了理論分析和計算方法的