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基于磁悬浮技术的抽油机设计研究

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 摘要随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展,磁悬浮技术的研究取得了大进展。上海磁悬浮列车的建成与运行,表明磁悬浮技术已由理论研究走向实际应用。磁悬浮利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态,为解决机械与电力工程技术难题提供崭新的思路。将磁悬浮技术应用于机械采油系统,可提高系统效率,完成精准控制,实现节能减排。

关键词:磁悬浮;直线电机;抽油机;节能

中图分类号: TE933        文献标志码: A       

Pumping design based on magnetic levitation technology

Jiao Yu-xi ,Sun Dong,Ma Kun ,Lu Zheng-tong

( Shengli Oil Field Technology Testing CenterDongying 257000Shandong)

Abstract: With the integration of electronic components as well as the control theory and development of rotor dynamics, Maglev technology research has made tremendous progress. Completion and operation of Shanghai maglev train shows that magnetic suspension technology has been developed from theoretical research to practical application. Magnetic suspension uses suspended magnetic to keep an object in a friction-free, non-contact suspension of balance, providing a new way of thinking to solve the problem of mechanical and electrical engineering technology. Magnetic levitation technology applied to machinery production system can improve the efficiency of system, complete accurate control, achieve energy saving and emissions reduction.

Key words: Maglev; Linear motor; Pumping unit; Energy saving


一、机械采油现状分析

目前我国大多数油田开发已进入开发中后期,油田已逐渐丧失自喷能力,而采用抽油机采油的油井占总数的90%以上,目前所用的抽油机总体效率偏低,能耗大,如表1所示。如果抽油机总体效率提高,可以节约大量能源,实现低碳生产的目的。

 1 抽油机效率汇总表

Tab.1 Pumping unit system efficiency summary table

序号

单位

抽油机

(台)

电机利用率(%)

系统效率

(%)

1

胜利

2000

21

28

2

江苏

100

30

31

3

华东

51

20

26

4

江汉

208

22

30

5

河南

92

26

35

6

中原

187

26

25

抽油机系统的能量传递是电机的电能转换为机械能,机械能在传递过程中逐渐降低,具体损失有以下几部分:电动机部分损失,包括热损失和机械损失;带传动部件部分损失,主要是传动中的摩擦损失;减速箱内部分损失,主要是传动中的摩擦损失;四连杆装置,主要是轴承摩擦损失和钢丝绳变形损失;抽油杆部分损失,主要是摩擦损失和弹性变形损失[1]。所以要提高效率.主要措施是减少能量传递过程中各环节的能量损耗。

二、磁悬浮原理介绍

磁悬浮技术是利用“异性相斥”原理设计,是一种斥力悬浮系统。下面以磁悬浮列车为例,介绍磁悬浮工作的基本原理。列车底部及两侧转向架的顶部安装电磁铁,在“工”字轨的上方和上臂部分的下方分别设反作用板和感应钢板,控制电磁铁的电流使电磁铁和轨道间保持1厘米的间隙,让转向架和列车间的排斥力与列车重力相互平衡,利用磁铁排斥力将列车浮起1厘米左右,使列车悬浮在轨道上运行[2],如图1所示。

 

1 磁悬浮列车基本原理

Fig.1 The basic principle of maglev train

磁悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一样。在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电,能将线圈变成电磁体,由于它与列车上的电磁体的相互作用,使列车开动。列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引,同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时,线圈里流动的电流方向就反过来,即原来的S极变成N极,N极变成S[3]。循环交替,列车就向前奔驰。

三、磁悬浮技术应用可行性分析

磁悬浮技术由于和被悬浮体没有接触,因此无摩擦、无机械磨损、低能耗、低噪声;不需要支撑介质,可在各种特殊条件下应用,而且可以长期工作无需润滑和维护;易于实现计算机控制,进而实现运动、监控及自动检测和诊断,自动化程度高;受力分布均匀,因此磁悬浮支撑力是均匀分布在整个磁极面上,大大减轻了应力,提高寿命可可靠性[4]。

直线电机与抽油机传统旋转电机相比,结构简单,由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置,因而使得系统本身的结构大为简化[5];定位精度高,直线电机可以实现直接传动,因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差,如采用微机控制,则还可以大大地提高整个系统的定位精度[6]。现场实际对比游梁式抽油机与直线电机抽油机,对比结果如表2所示。可以发现直线电机抽油机的节电率达到54.7%,节能效果显著。直线电机在每个冲程中90%时间都是匀速运动,系统效率高。

2 直线电机测试结果

Tab.2 Linear motor test results

   

 直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑,因而使得动子定子之间始终保持一定的空气隙而不接触,这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力。磁悬浮直线电机可以实现无接触传递力,机械摩损耗几乎为零,所以工作效率高。因此,磁悬浮技术用于机械采油是实际可行的,并且将是抽油机未来发展的主要方向。

四、方案设计

借鉴目前常用抽油机的先进技术,结合磁悬浮技术与直线电动机的特点,设计了如图2所示的石油机采系统。直线电机悬浮运动系统置于机架内部,可以避免恶劣环境和雨雪天气对设备的影响。采用传统的天轮与配重设计,可以进一步提升机采系统的平衡性,提高能量转化率、系统效率[7]。磁悬浮石油机采系统3D效果图如图3所示。

 

2 磁悬浮机采系统结构

Fig.2 Maglev apheresis system structure

 

 

 

 

 

 

 

 

3 抽油机3D效果图

Fig.3 Pumping unit 3D renderings

五、结语

磁悬浮技术与直线电机技术结合应用,可最大限度的减少电机损失、皮带损失、减速箱损失、四连杆损失,提高能量转化效率和系统效率,节约了能源。使用直线电机技术,可实现对运动的精准控制,以获得最佳冲程冲次。该技术的运用,可以有效推动油田节能减排和数字化建设工作的进程,会在整个石油行业产生示范效应,其社会效益和经济效益显著。

 

参考文献

[1] 周正友,刘吉明,李清振. 孤岛油田抽油机采油系统的能耗分析及系统最优配置[J]. 石油工程建设,2005,31(3)

[2] 王辉,钟晓波,沈钢,等. 一种新型磁悬浮线路设计方案及悬浮控制方法[J]. 同济大学学报(自然科学版),2013,47(3)

[3] 秦伟,范瑜,李硕,等. 电磁电动式磁悬浮装置的磁场分析和力特性研究[J]. 电机与控制学报,2012,16(1)

[4] 朱熙,范瑜,秦伟,等. 旋转磁场电动式磁悬浮装置的力和损耗特性分析[J]. 中国电机工程学报.2012,32(12)

[5] 李晓丹,陈国成,韩永强. 直线电机抽油机[J]. 油气田地面工程,2007,26(3)

[6] 杨继军,李洪山,刘延平,等. 直线电机智能抽油机研制[J]. 石油钻采工艺,2005,27(Z1)

[7] 何畏,王向涛,孙宇,等. 抽油机连杆的力学分析及结构改进[J]. 天然气与石油,2013,31(3)

Tags:抽油机 磁悬浮

作者:佚名
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