摘要：文章首次將特殊結(jié)構(gòu)的永磁直線發(fā)電機(jī)的應(yīng)用擴(kuò)展到石油提煉管加熱領(lǐng)域。詳細(xì)闡述了石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。并且基于電磁場(chǎng)有限元分析軟件maxwell 2d，對(duì)一石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元分析，得到了該電機(jī)靜態(tài)時(shí)和瞬態(tài)時(shí)的磁場(chǎng)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(jī)的理論研究和本體設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：永磁直線發(fā)電機(jī)；有限元法；石油提煉管；加熱

中圖分類號(hào)：tm313；tm359. 4    文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a    文章編號(hào)：1001-6848(2010)03-0005-03

  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(shí)際開采過程中，常發(fā)生因油稠、結(jié)蠟、負(fù)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(yán)重影響到產(chǎn)量和采收率。在現(xiàn)有的各種解決方案中，對(duì)石油提煉管進(jìn)行加熱不僅可以改善原油的流動(dòng)性，起到增產(chǎn)的效果，并且能同時(shí)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(chǔ)層通電電阻加熱，電磁波輻射儲(chǔ)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(xiàn)[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(duì)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(shí)現(xiàn)起來也有難度。本文提出利用永磁直線發(fā)電機(jī)加熱石油提煉管，將井筒中的原油進(jìn)行加熱保溫，以降低原油黏度，提高原油流動(dòng)性，從而維持油井正常生產(chǎn)。這種加熱裝置的主要特點(diǎn)是，永磁體建立磁場(chǎng)，石油管在磁場(chǎng)中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)。

  石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機(jī)就其結(jié)構(gòu)而言是一復(fù)合次級(jí)的圓筒形直線電機(jī)，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(jī)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(qiáng)渦流效應(yīng)從而增大發(fā)熱功率。動(dòng)子部分由永磁體和背鐵鐵管組成，為了加強(qiáng)管內(nèi)的磁場(chǎng)并且同時(shí)減弱背鐵中的磁場(chǎng)，永磁體排布采用了halbach結(jié)構(gòu)。

    靜態(tài)時(shí)和不同運(yùn)動(dòng)速度時(shí)的磁場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)動(dòng)子和定子之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁自力線在定子中逆著動(dòng)子運(yùn)動(dòng)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(dòng)子運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度的增大，動(dòng)子端部漏磁明顯增大。

   

      永磁直線發(fā)電機(jī)工作時(shí)，動(dòng)子以一定速度相對(duì)定子運(yùn)動(dòng)，永磁體陣列建立的恒定磁場(chǎng)也將以相同的速度移動(dòng)并切割定子。由于導(dǎo)電媒質(zhì)和磁場(chǎng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生速度電場(chǎng)，因此在直線發(fā)電機(jī)的定子中將產(chǎn)生速度電場(chǎng)，并產(chǎn)生渦流，渦流在定子中流動(dòng)最終會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，從而使油管發(fā)熱。與此同時(shí)在油管中流動(dòng)的原油也會(huì)被加熱，黏度變低，保證了原油的正常流動(dòng)。

    石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機(jī)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。

    石油提煉管加熱用永磁直線發(fā)電機(jī)由于軸向鐵芯開斷，存在軸向靜態(tài)端部效應(yīng)