石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機性能分析
朱發(fā)熙，余海濤，胡敏強
(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京210096)
摘要：文章首次將特殊結(jié)構(gòu)的永磁直線發(fā)電機的應(yīng)用擴展到石油提煉管加熱領(lǐng)域。詳細闡述了石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。并且基于電磁場有限元分析軟件maxwell 2d，對一石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機進行有限元分析，得到了該電機靜態(tài)時和瞬態(tài)時的磁場分布圖以及電磁力、渦流損耗功率與速度的關(guān)系曲線。仿真結(jié)果可以用來指導(dǎo)石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機的理論研究和本體設(shè)計。
關(guān)鍵詞：永磁直線發(fā)電機；有限元法；石油提煉管；加熱
中圖分類號：tm313；tm359. 4 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)03-0005-03
0引言
長期以來，稠油、高凝油和凝析氣等特殊油氣藏以及開采后期的油井的開發(fā)存在許多技術(shù)問題。在這類油井的實際開采過程中，常發(fā)生因油稠、結(jié)蠟、負荷過重而導(dǎo)致抽油桿卡死、斷脫等不能正常生產(chǎn)的現(xiàn)象，嚴重影響到產(chǎn)量和采收率。在現(xiàn)有的各種解決方案中，對石油提煉管進行加熱不僅可以改善原油的流動性，起到增產(chǎn)的效果，并且能同時解決舉升問題，因此是這類油井有效的增產(chǎn)措施[l-3]。現(xiàn)有的加熱技術(shù)包括儲層通電電阻加熱，電磁波輻射儲層等。但是由于裝備復(fù)雜，成本高，可靠性差，因而推廣應(yīng)用受到限制h一。文獻[1]在大量的理論和研究的基礎(chǔ)上提出利用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)對石油提煉管加熱是可行的，但是該技術(shù)不僅需要變頻裝置，而且實現(xiàn)起來也有難度。本文提出利用永磁直線發(fā)電機加熱石油提煉管，將井筒中的原油進行加熱保溫，以降低原油黏度，提高原油流動性，從而維持油井正常生產(chǎn)。這種加熱裝置的主要特點是，永磁體建立磁場，石油管在磁場中作相對運動，感應(yīng)出渦流，加熱油管。這種裝置不需要交流電源設(shè)各，也不需要變頻裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點。
l永磁直線發(fā)電機基本原理
石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機就其結(jié)構(gòu)而言是一復(fù)合次級的圓筒形直線電機，主要由在內(nèi)部的石油提煉管和包圍油管的永磁體組成。圖1為一石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機的剖面圖。如圖所示定子由鐵管和銅管復(fù)合而成，在鐵管外面復(fù)合一層銅管主要是為了增強渦流效應(yīng)從而增大發(fā)熱功率。動子部分由永磁體和背鐵鐵管組成，為了加強管內(nèi)的磁場并且同時減弱背鐵中的磁場，永磁體排布采用了halbach結(jié)構(gòu)。
靜態(tài)時和不同運動速度時的磁場分布圖。從圖中可以看出，當動子和定子之間有相對運動時，磁自力線在定子中逆著動子運動的方向偏移，并且出現(xiàn)自閉合的磁力線，這表明定子中感應(yīng)出了渦流。
隨著動子運動速度的增大，磁力線的偏移程度加大。另外，從圖2中可以清楚地看出隨著相對運動速度的增大，動子端部漏磁明顯增大。
永磁直線發(fā)電機工作時，動子以一定速度相對定子運動，永磁體陣列建立的恒定磁場也將以相同的速度移動并切割定子。由于導(dǎo)電媒質(zhì)和磁場之間有相對運動會產(chǎn)生速度電場，因此在直線發(fā)電機的定子中將產(chǎn)生速度電場，并產(chǎn)生渦流，渦流在定子中流動最終會轉(zhuǎn)化為熱能，從而使油管發(fā)熱。與此同時在油管中流動的原油也會被加熱，黏度變低，保證了原油的正常流動。
石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為油管內(nèi)徑為17 mm，外徑為26 mm；銅管內(nèi)徑為26 mm，外徑為28 mm；氣隙內(nèi)徑為28 mm，外徑為36 mm，永磁體采用釹鐵硼，矯頑力為960 ka/m，乘i磁為1.3 t，永磁體內(nèi)徑為36 mm，外徑為52 mm，高度為16 mm．共有7塊；背鐵鐵管內(nèi)徑為52 mm，外徑為57 mm。
2永磁直線發(fā)電機有限元分析
石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機由于軸向鐵芯開斷，存在軸向靜態(tài)端部效應(yīng) |
