楊 靜， 石成江

（ 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

抽油機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能綜述

楊 靜， 石成江

（ 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

目前，油田在用的游梁式抽油機(jī)效率低、耗能高，在一定程度上加重了企業(yè)生產(chǎn)成本，節(jié)能降耗問題越來越受到關(guān)注。通過分析抽油機(jī)系統(tǒng)效率的影響因素、抽油機(jī)負(fù)荷以及電機(jī)的工作原理，得出抽油機(jī)低效率、高耗能的原因（也是抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的高耗能原因）,并總結(jié)了節(jié)能型抽油機(jī)、節(jié)能驅(qū)動(dòng)設(shè)備和節(jié)能減速器三類節(jié)能方法，介紹了現(xiàn)有抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能措施。

抽油機(jī)；拖動(dòng)系統(tǒng)；效率；節(jié)能

中國大多數(shù)油田采用機(jī)械采油的方法，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國石油所轄油田中機(jī)械采油井占油井總數(shù)的98%，而在機(jī)械采油井中，游梁抽油機(jī)井又占機(jī)械采油井的96%左右［1］。美國常規(guī)型抽油機(jī)系統(tǒng)效率雖然比較高，但也僅有46%。游梁式抽油機(jī)效率低，耗電量大，占油田生產(chǎn)總能耗的50%以上，其系統(tǒng)耗能、低效問題十分嚴(yán)峻。

1 關(guān)于抽油機(jī)低效率、高耗能的分析

1.1 從抽油機(jī)系統(tǒng)效率角度分析

影響抽油機(jī)系統(tǒng)效率的主要因素在于四桿機(jī)構(gòu)、減速箱、皮帶輪和電機(jī)等組成的地上部分（常規(guī)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1）。

常規(guī)抽油機(jī)系統(tǒng)總效率可視為四桿機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)與電機(jī)三者的效率的乘積。

四桿機(jī)構(gòu)的效率：軸承摩擦損失和驢頭鋼絲繩損失是影響四桿機(jī)構(gòu)效率的主要因素。軸承的效率（3副），鋼絲繩的效率 ，所以四桿機(jī)構(gòu)效率為

減速機(jī)構(gòu)的效率：齒輪嚙合損耗，軸承損耗，潤滑攪拌損耗（一般很小，可略）等是影響減速機(jī)構(gòu)效率的主要因素。齒輪的效率 （2副），軸承的效率 （3副），皮帶輪（V帶）的效率 ，皮帶輪—減速器的效率為

電機(jī)的效率：最大效率可達(dá)95%，但由于電機(jī)功率因數(shù)低，抽油機(jī)的載荷不均勻波動(dòng)等，某油田的一次在用電機(jī)測試結(jié)果表明電機(jī)平均運(yùn)行效率不及80%［1］，電動(dòng)機(jī)效率最大可達(dá)到 。

抽油機(jī)系統(tǒng)的總效率：

由上可知，常規(guī)抽油機(jī)的系統(tǒng)效率最大只能達(dá)到67%。

自貿(mào)區(qū)的快速發(fā)展離不開稅收優(yōu)惠政策。海關(guān)特殊監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的企業(yè)生產(chǎn)所需的進(jìn)口機(jī)器、設(shè)備可享受免稅，“二線”內(nèi)銷產(chǎn)品可選擇性納稅。

1.2 從抽油機(jī)負(fù)荷和電機(jī)原理角度分析

由于抽油機(jī)上下沖程的動(dòng)力力矩不同，導(dǎo)致了抽油機(jī)負(fù)荷不均勻，一般通過安裝平衡機(jī)構(gòu)來均勻負(fù)荷。抽油機(jī)電機(jī)的平均負(fù)荷率低，周期性負(fù)荷率大小與抽油機(jī)的平衡狀況有關(guān)，負(fù)功率流動(dòng)在抽油機(jī)電機(jī)和電網(wǎng)之間，有功電能的吞吐增加了電機(jī)和電網(wǎng)的損耗。另外，為了保證啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大，常采用增大電機(jī)容量的辦法，電機(jī)的利用率變小。目前，抽油機(jī)用電機(jī)負(fù)載率很低，根據(jù)某次兩組抽油機(jī)用電機(jī)負(fù)載率的測試，其測試結(jié)果分別為17%，…，25%；25%，…，45%［3］。這充分表明抽油機(jī)用電機(jī)的負(fù)載率和效率低。

圖1 常規(guī)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The structure diagrammatic map of conventional pumping unit

異步電機(jī)的功率損耗 ,其中，機(jī)械損耗 和鐵損是不變損耗，附加損耗 基本上也不變，定轉(zhuǎn)子銅損，為可變損耗。電機(jī)負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)子銅損 降低較多，但定子銅損 降低較少，所以功率因數(shù)和效率很低。電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性分為硬特性和軟特性兩種。機(jī)械軟特性啟動(dòng)較好。抽油機(jī)系統(tǒng)還存在著電機(jī)吸收機(jī)械功率，同時(shí)吸收電網(wǎng)功率的現(xiàn)象，即“倒發(fā)電”現(xiàn)象。

綜上所述，抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的效率高低是整個(gè)系統(tǒng)效率高低的關(guān)鍵，拖動(dòng)系統(tǒng)的能耗也為抽油機(jī)系統(tǒng)能耗的最主要部分。從抽油機(jī)負(fù)荷和電機(jī)原理可知，電機(jī)“大馬拉小車”現(xiàn)象十分嚴(yán)重，功率因數(shù)和系統(tǒng)的效率也都很低，而且相當(dāng)?shù)暮碾姾哪?。拖?dòng)系統(tǒng)功率因數(shù)低，無功功率相對較大，而在配電網(wǎng)絡(luò)中，用戶消耗的無功功率大約只有一半，其余消耗在電網(wǎng)中，這樣就降低了電網(wǎng)電壓的質(zhì)量，給電網(wǎng)造成了損失。

2 抽油機(jī)的節(jié)能

抽油機(jī)的節(jié)能問題是一個(gè)相當(dāng)熱點(diǎn)的問題。由上分析可知，抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能是非常重要的。這里主要分節(jié)能型抽油機(jī)、節(jié)能驅(qū)動(dòng)設(shè)備和節(jié)能減速器三類來介紹。

2.1 節(jié)能型抽油機(jī)

節(jié)能型抽油機(jī)主要是指通過改進(jìn)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)，減小扭矩的波動(dòng)，改善拖動(dòng)系統(tǒng)的性能，達(dá)到提高系統(tǒng)工作效率，節(jié)電、節(jié)能的效果。這里主要介紹了以下幾種節(jié)能型抽油機(jī)。

超長沖程抽油機(jī) 它通過新型平衡氣缸實(shí)現(xiàn)平衡，既實(shí)現(xiàn)了長沖程，低沖次，又實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性運(yùn)行和節(jié)能。

鋼絲繩傳動(dòng)的杠桿式游梁抽油機(jī)［4］這種抽油機(jī)采用滑輪和鋼絲繩，省去了耗能大的曲柄連桿，減速器等在拖動(dòng)系統(tǒng)中相當(dāng)耗能的機(jī)械部件（不需潤滑，節(jié)省了潤滑成本），實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的柔性連接，結(jié)構(gòu)緊湊，重量小，運(yùn)動(dòng)沖擊小，同時(shí)抽油機(jī)的安裝維護(hù)也更方便。

塔架式組合傳動(dòng)抽油機(jī) 這種抽油機(jī)采用了一種新的傳動(dòng)原理：傳動(dòng)系統(tǒng)采用了齒輪和皮帶的組合傳動(dòng)形式，平衡配重箱采用主、副配重多級(jí)可調(diào)配重，導(dǎo)向輪利用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定在操作平臺(tái)上［5］。工作時(shí)，動(dòng)力由鏈條、皮帶或是組合傳動(dòng)系統(tǒng)先后經(jīng)過第一級(jí)和第二級(jí)減速分別帶動(dòng)到第一級(jí)和第二級(jí)傳動(dòng)軸，從而帶動(dòng)配重牽引繩和驅(qū)動(dòng)繩，完成平衡重箱和抽油桿的上下運(yùn)動(dòng)來采油。它發(fā)揚(yáng)了傳統(tǒng)抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)能夠達(dá)到拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)作與先進(jìn)的技術(shù)相結(jié)合的效果。它具有先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)，可靠耐用，還能夠節(jié)約成本。

2.2 節(jié)能驅(qū)動(dòng)設(shè)備

從抽油機(jī)的負(fù)荷特點(diǎn)和電機(jī)的工作原理可知，電機(jī)的容量沒被充分利用，電機(jī)的功率損耗和機(jī)械硬特性造成的電機(jī)的功率因數(shù)和效率低下，采用降壓啟動(dòng)方式，采用超越離合器，合理的選用電機(jī)或是采用變頻調(diào)速電機(jī)等都可以提高電機(jī)容量的利用率，電機(jī)的功率因數(shù)和效率。

采用降壓啟動(dòng)方式 對于空載或輕載啟動(dòng)場合，可以選取Y?Δ啟動(dòng)方式。啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)定子繞組呈Y形，UP降到啟動(dòng)電流為直接啟動(dòng)的1/3，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為直接啟動(dòng)的1/3，這種啟動(dòng)方式也稱為降壓啟動(dòng)，正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)主回路處于角形連接。當(dāng)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷低于額定負(fù)荷時(shí)，電機(jī)主回路發(fā)生YΔ?轉(zhuǎn)變。這樣就降低了電機(jī)的額定負(fù)荷值，使得電機(jī)在運(yùn)行階段的實(shí)際負(fù)荷與額定負(fù)荷基本相匹配，在很大程度上提高了電機(jī)的功率因數(shù)，減少電能的損失。

采用超越離合器 它是安裝在抽油機(jī)減速箱輸入軸上代替大皮帶輪的一種超速離合裝置［6］。它的工作原理： 當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度小于減速箱軸的轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)和抽油機(jī)能夠脫離傳動(dòng)，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行但和空載運(yùn)行一樣不會(huì)發(fā)生拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電的現(xiàn)象。它能提高沖次，增加產(chǎn)液量，而且節(jié)電效果相當(dāng)顯著，完全符合節(jié)電的要求。

合理的選用電機(jī) 選用合理的電機(jī)可以更好的使抽油機(jī)實(shí)際負(fù)荷與電機(jī)的負(fù)荷相匹配，還可以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電網(wǎng)功率因數(shù)，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。比如，選用超高轉(zhuǎn)差電機(jī)可以適當(dāng)選用小容量的電機(jī)，能夠提高電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使扭矩波動(dòng)變小，有效利用機(jī)械軟特性的特點(diǎn)：降低換向加速度，使抽油機(jī)的機(jī)、桿、泵達(dá)到一種柔性的配合，基本消除發(fā)電現(xiàn)象。

變頻調(diào)速電機(jī) 工作原理：將變頻控制柜(裝有微電腦程序控制系統(tǒng))加在電機(jī)上，抽油機(jī)上下行時(shí)，智能變頻調(diào)速裝置回饋制動(dòng)單元能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)存儲(chǔ)電能以及將存儲(chǔ)的電能供給電機(jī)，還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)上下行程的速度，自動(dòng)調(diào)整電機(jī)的頻率以增減沖次［7］。這種電機(jī)具有零啟動(dòng)軟啟動(dòng)的特點(diǎn)，與負(fù)荷實(shí)現(xiàn)了柔性配合，減少了電機(jī)空載運(yùn)行的情況，對電網(wǎng)的沖擊小，能夠補(bǔ)償動(dòng)態(tài)功率因數(shù)，還可以節(jié)約電能，提高原油的產(chǎn)量。

2.3 節(jié)能減速器

采用節(jié)能減速器可以優(yōu)化拖動(dòng)系統(tǒng)性能。這種新型節(jié)能減速器可以實(shí)現(xiàn)“長沖程、低沖次”，降低拖動(dòng)系統(tǒng)的能耗。

工作原理：安裝在抽油機(jī)電機(jī)與變速箱之間，由用螺栓固定在抽油機(jī)底座上的軸承支座以及用軸和軸承固定在軸承支座上的兩個(gè)皮帶輪組成的。小皮帶輪與抽油機(jī)，大皮帶輪與電機(jī)都是由皮帶相連的。電機(jī)皮帶輪①采用大小組合輪，②可采用內(nèi)張式連接，這樣可實(shí)現(xiàn)有級(jí)變速，而且拆卸方便。使用時(shí)，加大傳動(dòng)比，可以提高電機(jī)的功率因數(shù)，降低抽油機(jī)的沖次，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)、電機(jī)功率相匹配以節(jié)能（圖2）。

這種節(jié)能型減速器［8］適用于泵效很低，地層膠結(jié)疏松，地層油很稠，桿管偏磨嚴(yán)重等情況的油井的采油工況。它的優(yōu)點(diǎn)主要有：①降低電機(jī)無功損耗，降低配置電機(jī)的額定功率，啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，優(yōu)化了油井運(yùn)行參數(shù)；②節(jié)約電能，降低設(shè)備投入費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。

圖2 抽油機(jī)節(jié)能減速器Fig.2 Energy-saving reducer casing of pumping unit

3 結(jié) 論

抽油機(jī)的節(jié)能尤其是拖動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能越來越受到關(guān)注。目前國內(nèi)外研發(fā)了很多節(jié)能型抽油機(jī)和抽油機(jī)節(jié)能設(shè)備等等。從結(jié)構(gòu)上或是從裝置上抽油機(jī)的節(jié)能還有很大的發(fā)展空間。改造現(xiàn)有抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)，從電機(jī)原理這一角度來考慮提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率因數(shù)，設(shè)計(jì)新型的減速裝置等等都將會(huì)使抽油機(jī)節(jié)能進(jìn)入一個(gè)新階段。

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Discussion on the Energy Saving of the Pumping Unit and Its Drag System

YANG Jing，SHI Cheng-jiang
（ Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Nowadays, the beam pumping unit used in oil fields has low efficiency and high energy consumption. To a great extent, the cost of enterprises is sharply increasing. So the problem of energy saving and consumption reducing obtains more and more attention. In this paper, through the analysis of factors affecting the efficiency of the beam pumping unit system, the load of pumping unit and the working principle of the motor, reasons to cause low efficiency of the pumping unit were pointed out. And then energy saving measures of the drag system of pumping unit were discussed from three aspects: energy-saving pumping unit, energy-saving driving equipment and energy -saving reducer casing.

Pumping unit; Drag system; Efficiency; Energy saving

TE 933

A

1671-0460（2012）11-1239-03

2012-05-24

楊靜（1987-），女，河北唐山人，遼寧石油化工大學(xué)在讀研究生，研究方向：過程裝備檢測與控制工程。E-mail：15930033093@163.com。