井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算.doc
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2、.84.2 直线电机抽油机载荷分析.84.3 井下直线电机抽油机动力学分析.155 井下直线电机抽油机效率分析.155.1 圆筒型永磁直线同步电机等效电路.155.2 圆筒型永磁直线同步电机参数计算.165.3 圆筒型永磁直线同步电机性能参数计算.176 井下直线电机抽油机温度计算.196.1COMSOL模型的建立.206.2 无温度梯度时电机温度变化情况.206.3 有温度梯度时电机温度变化情况.256.4 减小电机发热的途径.287 井下直线电机抽油机永磁性能分析.297.1 井下直线电机抽油机永磁体材料选择.297.2 永磁材料主要性能参数及特点.297.3 稀土永磁直线电机的特点.31
3、7.4 稀土永磁在直线电机中的应用.318 结果分析.329 总结.33参考文献.33致谢.351 前言第 1页(共 37页)井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算1 前言前言本文研究的是井下直线电机抽油机的动态模拟和温度计算。当前应用最广泛的游梁式抽油机由动力机、减速器以及四连杆机构等部分构成,以旋转电机带减速器链条的传动方式,利用多级机械减速器将动力机的高速旋转运动转化为低速大扭矩动力,通过四连杆机构将曲柄轴的旋转运动转换为悬绳器的往复运动1。有系统效率低、稳定性差和管杆偏磨问题,不能满足“深抽、大排量”提液的工艺要求。井下直线电机抽油机省去了地面上各种笨
4、重的装置,大大简化了系统结构,减小了损耗,提高了系统效率,节能效果好,上下冲程速度可以单独无级调整。并且能适应恶劣工作环境,特别适合深井、稠油等油井使用,在全国各大油田得到广泛应用。目前直线电机在国外已有成熟产品,并有很多专利,但国内虽然对长行程、大推力的永磁直线电机展开了研究,并取得了许多学术成果,不过这些大多是一些基础研究,离实用商品阶段还有很长的路要走。2 选题背景选题背景2.1 研究目的和意义研究目的和意义我国油田大多数进入中后期开发阶段,随着原油含水率的不断上升,油层压力和油井动液面的逐渐下降,为了保持原油稳产,必须增加采液量,采油成本也相应提高。要求采油设备不仅能满足“深抽、大排量
5、”提液的工艺要求,而且能耗低、可靠性高,即需要选用高效节能的抽油机2。我国常用的机械采油系统有杆式泵系统、潜油电泵系统、水力活塞泵系统、螺杆泵系统及气举系统等。其中有 90%以上的油田采用有杆抽油方式,抽油机是有杆抽油系统最主要的设备之一,当前应用最广泛的是游梁式抽油机。其由动力机、减速器以及四连杆机构等部分构成,以旋转电机带减速器链条的传动方式,利用多级机械减速器将动力机的高速旋转运动转化为低速大扭矩动力,通过四连杆机构将曲柄轴的旋转运动转换为悬绳器的往复运动。抽油杆柱通过胶带(钢绳)组卡在悬绳器上,作上下往复直线运动,带动抽油泵柱塞(或活塞)在泵筒内作上下井下直线电机抽油机动态模拟与温度计
6、算第 2页(共 37页)往复直线运动,从而将油井内的石油举升到地面3。游梁式抽油机需要减速器、四连杆结构等中间环节来实现高速旋转运动到低速直线运动的转换,驴头悬点运动加速度大、平均效率差。同时,较多的中间环节导致整个系统效率低、稳定性差。实测结果表明,我国在用的抽油系统的总效率只有16%23%,造成了巨大的能源浪费。此外,游梁式抽油机大且笨重,尤其是在要求长冲程的场合,使用材料多,造价高。直线电机抽油机取消了齿轮、链条、齿条丝杠和蜗轮蜗杆等传动系统4,从根本上消除了传统机械转换机构的传动链长、体积大、效率低、精度差等缺陷。通过变频和控制后,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
7、举升油井内液体的目的,不但简化了机械传动过程,也有效地提高了效率,经测试节能可达 54%,而且加大冲程时整机外形尺寸和重量都增加得很少,特别是抽汲参数可无级调整,为实现自动控制及满足采油工艺要求提供了条件5,是一种很有发展前途的新型抽油机。为此,本文选择它进行研究。电机是一种能量转换机构,由于各种原因,在机电能量转化过程中,效率必然不能达到百分之百,因此电机必然存在损耗,而这些损耗也就是电机热源。电机内部是由绕组和铁芯组成的,铁芯由于磁滞涡流效应,在交变磁场中将产生铁损耗;电机绕组有电阻,当绕组通电流时,也将产生损耗即铜损耗;除此之外,电机还有机械损耗和其他损耗。电机的铜损耗、铁损耗、机械损耗
8、及其他损耗最终都以发热的形式表现出来,产生热量,使电机温度升高。电机温升是衡量电机性能的重要指标之一,它关系到电机的使用寿命及运行可靠性,是电机设计中必须要考虑的一个重要问题。随着现代电机制造业的发展,电机容量也不断增大,电机运行时的单位体积损耗也随之增加,引起电机各部分温度升高,因此研究电机温度场对提高电机使用寿命和可靠性是十分必要的。2.2 直线电机的国内外发展概况直线电机的国内外发展概况直线电机的雏形在旋转电机出现不久便已显现。英国人惠斯勒在 1840 年发明世界上的第一台直线电机,但是由于当时的技术不够成熟,这台直线电机的气隙过大,致使电机效率很低而未获成功,但却拉开了直线电机发的展序
9、幕。直线电机是一种将电能直接转变成直线运动机械能,它的发展经历了漫长的历史,大概分为探索试验、开发应用和实用商品化三个时期6。1945年,美国Westinghouse2 选题背景第 3页(共 37页)电气公司成功研制了“Electrupult”电力牵引飞机弹射器,它以 7400kW 的直线电机为动力,成功的用 4.1s 时间将一架重 4500kg 的喷气式飞机在 102m 行程内有静止加速到 185km/h 的速度,之后,直线电机的优点得到了普遍重视,继而出现了许多成果。近年来,直线电机更是进入了实用商品阶段,各种直线电机的应用得到了迅速的推广,制成了许多具有实用价值的装置和产品,如磁悬浮列车
10、、液态金属的输送和搅拌装置、高速电梯等,随着直线电机的迅速发展,国外许多学者和企业都投身于直线电机产品的研究和开发中,如美国的科尔摩根,德国西门子,日本安川等,它们生产了许多高质量,性能优越的产品,推动了直线电机的发展。直线电机按机种可分为直线直流电机、感应式直线电机、永磁直线电机等。随着永磁体成本的下降,永磁直线电机才开始得到推广,同时由于永磁直线电机具有推力强度高、损耗低、时间常数小、响应快、控制比较容易等特点,使其在直线电机市场得到了更多的青睐,国际上许多著名企业也都开始生产各种不同种类和型号的永磁直线电机。我国是从 19 世纪 70 年代开始直线电机的研究和应用。1972 年,直线电机
11、领域的先行者及带头人浙江大学的叶云岳教授翻译了直线感应电动机译文集,这是在国内惟一见到的有关直线电机的中文出版书籍。直线电机研究机构的杰出代表有浙江大学、中科院电工所、华中科技大学等高等院校及研究所的科研人员,他们都取得了较好的成果。例如沈阳工业大学与北京机床研究所高维公司联合研制了 GW745L 型精密数控直线电机直接驱动电火花加工机床,最大推力为 1000N,工作加速度为 1.5g;广东工业大学开发的 GD-3 型直线电机高速数控进给单元,额定推力为 2000N,最高进给速度 100m/min。2008 年,曹卉的新型潜油式直线抽油机电机的设计及分析一文对各种直线电机的性能进行比较,得出永
12、磁直线同步电机具有推力大、损耗低、响应速度快等特点,能提供很高的响应速度和加速度、极高的刚度、高的定位精度、平滑的运动的结论;根据设计要求来设计电机,进行磁路计算、参数计算,再通过性能计算来验证和修整设计的结果,最终得出符合要求的电机;用 Ansys 软件对电机进行电磁分析,通过建模、剖分、加载电流以及边界条件,最终计算出电磁力,和计算结果基本相符。并得到了磁场分布图、磁密分布图、电密分布以及节点电磁力的数据7。2010 年张锋在“潜油圆筒形直线永磁电机工程样机及其控制系统研究”硕士学井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算第 4页(共 37页)位论文,介绍了设计制造小型样机的目的,说明了样机的结
13、构、性能等指标要求,并通过对样机进行空载和负载试验表明了圆筒形直线永磁同步电机具有很高的驱动力;在小型样机的成功基础上,采用瞬态电磁场有限元法进行实际工程样机设计;设计了潜油圆筒型直线永磁同步电机的控制系统;介绍了横向磁通圆筒形直线永磁电机,通过与(径向磁通)圆筒形直线永磁电机在定、动子结构上的对比,体现出横向磁通圆筒型直线永磁电机的优势,表明它在潜油直驱抽油中具有重要应用潜力和研究价值8。2010 年邱家友,周晓红,刘焕梅在安塞油田直线电机无杆采油工艺试验效果分析中无杆采油工艺试验效果进行了分析,其实验条件为井下介质温度,承受井下环境压力30 MPa,井深2 500 m,产液量 0.515
14、m3/d,油液中含油量10%,原油粘度10 mPas。实验结果应用直线电机无杆采油技术后,油井液量、油量、动液面能基本保持稳定,平均泵效提高了 24%,平均日耗电下降 12 kW h,证明了井下直线电机抽油机很节能9。2011 年陈卫宝,范承志,叶云岳在圆筒永磁直线电机齿槽力综合优化一文中对电机的结构和推力波动进行了分析,提出了基于解析法的齿槽力削弱方法,对进一步研究直线电机推力波动很有意义10。2011 年赵明强,檀朝东等人在直线电机抽油机运动规律及载荷分析研究一文中分析了井上直线电机抽油机的载荷,但对井下直线电机抽油机载荷分析很有帮助。本文用示功图说明直线电机抽油机的性能优势11。2011
15、 年 8 月华北大卡热能源技术开发有限公司研制了直线电机抽油机在华北油田投入现场试验。这是国内外第一台应用于工业试验的直线电机抽油机。2012 年中国石油勘探开发研究院朱拾东,张建军,师俊峰等人在往复潜油电泵控制系统研究 一文中针对往复潜油电泵存在动子受力的复杂性及要求其运动稳定性的矛盾,结合模糊控制技术与 PID 控制方法,设计了模糊 PID 控制器对直线电机进行控制,对直线电机抽油机稳定性控制提出了新方法12。2.3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容1.井下直线电机抽油机发展概述2.井下直线电机抽油机载荷分析3.井下直线电机抽油机动力学分析3 方案论证第 5页(共 37页)4.井下直线
16、电机抽油机效率分析5.井下直线电机抽油机温度计算6.井下直线电机抽油机永磁性能分析重点是推导出直线电机抽油机动力学方程,然后进行效率计算和温度计算。首先对抽油机所受的的载荷进行分析:其中包括静载荷和动载荷。静载荷包括液柱静压,套压等。动载荷包括惯性载荷、振动载荷、摩擦载荷等。其中惯性载荷受加速度影响,振动载荷与摩擦载荷受速度影响。根据动子上的载荷与抽油机所受的的载荷运用牛顿第二定律进行动力学分析。通过动力学方程计算出电机所需的电流与电压,然后进行直线电机抽油机效率计算和温度计算。本次设计的另一个重难点是在效率计算之后,运用 comsol 对井下直线电机抽油机温度变化情况进行模拟。通过比较有无温
17、度梯度时电机的温升,结合永磁材料钕铁硼的特性,可以得出永磁体失效的大约时间,为估计井下直线电机抽油机的寿命提供依据。3 方案论证方案论证3.1 永磁直线同步电机的简介永磁直线同步电机的简介直线电动机可以看作是旋转电机沿着径向剖开,并将圆周展开成直线而得到。如图(1)所示:图图 1 1从旋转电机到直线电机的演化从旋转电机到直线电机的演化永磁直线同步电机在结构上与旋转电机类似,在原理上也是类似的13。在直线电机的定子的三相绕组中通入三相电流后,会产生气隙磁场,当三相电流随时间变化时,气隙磁场将按 A,B,C 相序沿直线运动。该气隙磁场沿直线平移,故称行波磁场。永磁直线电机工作原理如图(2)所示:井
18、下直线电机抽油机动态模拟与温度计算第 6页(共 37页)图图 2 2永磁直线电机工作原理永磁直线电机工作原理3.2 井下直线电机抽油机原理及特点井下直线电机抽油机原理及特点井下直线电机抽油机省去了地面上各种笨重的装置,大大简化了系统结构,减小了损耗,提高了系统效率,节能效果好,上下冲程速度可以单独无级调整,并且能适应恶劣工作环境,特别适合深井、稠油等油井使用,为新型节能抽油机的制造开辟了一条新的道路,是一种值得研究与开发的的新型抽油机14。井下直线电机抽油机系统有如下特点:1适用于长冲程。直线电机采油装置由于不使用四连杆机构,克服了游梁式抽油机加大冲程时减速箱扭矩增加的缺点,因此,较容易实现长
19、冲程。2动载小,运行平稳。此系统在每个冲程中 90%时间都是匀速运动,不像游梁式抽油机运动速度有极大值,所以在平均速度相等的情况下,匀速运动抽油机的运动速度最大值要小的多,因此加速度也小的多。3.可自动控制,实现抽油系统智能化。虽然该系统采用变频技术,但因没有复杂的设备,总成本不会比常规抽油系统高。冲程采用无触点限位控制器,实现抽汲参数无级可调,为就地自动控制提供条件。另外,可自动控制抽空,随时监测示功图充满程度,当充满程度低于设定数值时,则自动降低冲次,确保泵的充满程度,减轻设备的磨损和进一步节能。3 方案论证第 7页(共 37页)4.避免其它有杆抽油系统软连接寿命短的问题。5.适应范围广,
20、操作维修方便,安全保护功能齐全15。潜油直线电机抽油泵把直线电机与柱塞式抽油泵结合为一体,系统通电后,圆筒形直线电机动子作上下往复直线运动,不经过中间运动形式转换和传动环节,驱动柱塞泵,达到举升抽油的目的。动子向上运动时,柱塞作上冲程运动,柱塞内的固定阀打开,游动阀关闭,柱塞将油管中的原油举升至井口;动子向下运动时,柱塞作下冲程运动,固定阀关闭,游动阀打开,柱塞将原油注入柱塞以上,原油流入油管如此循环往复,将原油举升至地面。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。3.3 井下直线电机抽油泵机组实物图井下直线电机抽油泵
21、机组实物图图图 3直线电机抽油机组主体图直线电机抽油机组主体图直线电机抽油机组主体由三部分组成,潜油同步直线电机、管式柱塞泵、碟形弹簧储能系统。其中潜油同步直线电机为原动机,工作时作轴向直线运动,通过潜油电缆供电,由地面控制系统控制。管式柱塞泵为工作部分,由电机直接驱动柱塞运动以抽取井液,通过电机动子与弹簧导杆内流道进入油管。弹簧储能系统利用碟形弹簧的压缩,将电机空行程时的动能转化为弹性势能,以供系统工作行程时使用。抽油泵部分柱塞直径 20mm,抽油泵柱塞与直线电机动子下端之间连接采用管螺纹。抽油泵与油管之间的连接采用接箍。直线电机动子磁体采用轴向充磁结构,通过优化磁体轴向长度与极距的比值大小
22、,可以获得较好的转矩输出能力,而且磁体充磁制造简单。定子三相绕组采用 71 级 214 槽结构,定子铁芯由硅钢叠片组成。外部由刚性外壳保护,同时也作固定件,两端安装波纹管固定架,用于密封。直线电机段直径井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算第 8页(共 37页)为 110mm。在直线电机上部安装一节碟形弹簧用来平衡直线电机上下冲程的载荷并平衡部分载荷。4 井下直线电机抽油机载荷分析及动力学分析井下直线电机抽油机载荷分析及动力学分析4.1 直线电机抽油机运动规律分析直线电机抽油机运动规律分析直线电机抽油机的电机动子带动柱塞泵柱塞做以下几种运动:匀加速上行,匀速提升,匀减速上行,停滞换向,匀速换向,
23、匀加速下行,匀速下行,匀减速下行,停滞换向。4.2 直线电机抽油机载荷分析直线电机抽油机载荷分析抽油机所受的的载荷包括静载荷和动载荷。静载荷包括液柱静压,套压等。动载荷包括惯性载荷、振动载荷、摩擦载荷等。其中惯性载荷受加速度影响,振动载荷与摩擦载荷受速度影响。根据动子上的载荷与抽油机所受的的载荷运用牛顿第二定律进行动力学分析。直线电机动子在运动过程中受到电磁推力,液柱压力,抽油泵柱塞及动子与其相关联接件的重力,碟形弹簧的弹力等作用。另外运动过程中必然存在动载荷如震动载荷摩擦载荷等。本文研究的直线电机抽油机目标地层垂深 1500m,柱塞泵柱塞直径为20mm,故相应的液柱压力由pFghS可知为 3
24、740.7N。加上抽油泵柱塞及动子与其相关联接件的重力和震动载荷摩擦载荷等一起本文按 4000N 计算。4.2.1 直线电机抽油机电磁推力分析直线电机抽油机电磁推力分析16作用在电枢上的推力是由绕组电流和永磁体磁场之间的相互作用产生的17,由洛仑兹力得:()WVFJ B dV(1)式中:J 为绕组 V 的电流密度。假设每个电枢绕组包括许多线圈,它们所占的范围为1i2srRrR,1/2wzz和2/2wzz内。如图 1 所示,mR为直线电机磁体外径,iR为电枢内径,sR为电枢外径,w 为线圈轴向宽度,施加在线圈上的总推力可通过下式积分得到:4 井下直线电机抽油机载荷分析及动力学分析第 9页(共 3
25、7页)/2r/22(,)wswizRWzRFrJB r z drdz(2)将气隙中径向磁密分布计算公式r0pmm13n 1(,)=(bm/)()sin()B r zHFrmz 18代入可得:w1sinnnFFmz(3)其中:b 为磁体轴向长度的一半;pm0()/()rpmrHBB;pmB为工作点磁密;10000()(m)()(m)SmmsImRKRImRKR;30110()()(mr)()(m)SsrImRKI mr KR;(21)/pmn,1,2,n;0r 为回复磁导率;rB为永磁材料的剩磁感应强度。图图 4 4三相轴向充磁圆筒永磁直线同步电机绕组分布三相轴向充磁圆筒永磁直线同步电机绕组分布
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