楊 靜， 石成江

（ 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

抽油機及其拖動系統(tǒng)節(jié)能綜述

楊 靜， 石成江

（ 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

目前，油田在用的游梁式抽油機效率低、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注。通過分析抽油機系統(tǒng)效率的影響因素、抽油機負荷以及電機的工作原理，得出抽油機低效率、高耗能的原因（也是抽油機拖動系統(tǒng)的高耗能原因）,并總結(jié)了節(jié)能型抽油機、節(jié)能驅(qū)動設備和節(jié)能減速器三類節(jié)能方法，介紹了現(xiàn)有抽油機拖動系統(tǒng)的節(jié)能措施。

抽油機；拖動系統(tǒng)；效率；節(jié)能

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

1 關于抽油機低效率、高耗能的分析

1.1 從抽油機系統(tǒng)效率角度分析

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

常規(guī)抽油機系統(tǒng)總效率可視為四桿機構、減速機構與電機三者的效率的乘積。

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

減速機構的效率：齒輪嚙合損耗，軸承損耗，潤滑攪拌損耗（一般很小，可略）等是影響減速機構效率的主要因素。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

電機的效率：最大效率可達95%，但由于電機功率因數(shù)低，抽油機的載荷不均勻波動等，某油田的一次在用電機測試結(jié)果表明電機平均運行效率不及80%［1］，電動機效率最大可達到 。

抽油機系統(tǒng)的總效率：

由上可知，常規(guī)抽油機的系統(tǒng)效率最大只能達到67%。

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

1.2 從抽油機負荷和電機原理角度分析

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

圖1 常規(guī)抽油機結(jié)構簡圖Fig.1 The structure diagrammatic map of conventional pumping unit

異步電機的功率損耗 ,其中，機械損耗 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。電機負載時，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。電動機機械特性分為硬特性和軟特性兩種。機械軟特性啟動較好。抽油機系統(tǒng)還存在著電機吸收機械功率，同時吸收電網(wǎng)功率的現(xiàn)象，即“倒發(fā)電”現(xiàn)象。

綜上所述，抽油機拖動系統(tǒng)的效率高低是整個系統(tǒng)效率高低的關鍵，拖動系統(tǒng)的能耗也為抽油機系統(tǒng)能耗的最主要部分。從抽油機負荷和電機原理可知，電機“大馬拉小車”現(xiàn)象十分嚴重，功率因數(shù)和系統(tǒng)的效率也都很低，而且相當?shù)暮碾姾哪?。拖動系統(tǒng)功率因數(shù)低，無功功率相對較大，而在配電網(wǎng)絡中，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 抽油機的節(jié)能

抽油機的節(jié)能問題是一個相當熱點的問題。由上分析可知，抽油機拖動系統(tǒng)的節(jié)能是非常重要的。這里主要分節(jié)能型抽油機、節(jié)能驅(qū)動設備和節(jié)能減速器三類來介紹。

2.1 節(jié)能型抽油機

節(jié)能型抽油機主要是指通過改進抽油機結(jié)構，減小扭矩的波動，改善拖動系統(tǒng)的性能，達到提高系統(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。

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

鋼絲繩傳動的杠桿式游梁抽油機［4］這種抽油機采用滑輪和鋼絲繩，省去了耗能大的曲柄連桿，減速器等在拖動系統(tǒng)中相當耗能的機械部件（不需潤滑，節(jié)省了潤滑成本），實現(xiàn)了抽油機拖動系統(tǒng)的柔性連接，結(jié)構緊湊，重量小，運動沖擊小，同時抽油機的安裝維護也更方便。

塔架式組合傳動抽油機 這種抽油機采用了一種新的傳動原理：傳動系統(tǒng)采用了齒輪和皮帶的組合傳動形式，平衡配重箱采用主、副配重多級可調(diào)配重，導向輪利用一個轉(zhuǎn)動軸固定在操作平臺上［5］。工作時，動力由鏈條、皮帶或是組合傳動系統(tǒng)先后經(jīng)過第一級和第二級減速分別帶動到第一級和第二級傳動軸，從而帶動配重牽引繩和驅(qū)動繩，完成平衡重箱和抽油桿的上下運動來采油。它發(fā)揚了傳統(tǒng)抽油機的優(yōu)點能夠達到拖動系統(tǒng)運作與先進的技術相結(jié)合的效果。它具有先進的技術基礎，可靠耐用，還能夠節(jié)約成本。

2.2 節(jié)能驅(qū)動設備

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

采用降壓啟動方式 對于空載或輕載啟動場合，可以選取Y?Δ啟動方式。啟動時，電機定子繞組呈Y形，UP降到啟動電流為直接啟動的1/3，啟動轉(zhuǎn)矩為直接啟動的1/3，這種啟動方式也稱為降壓啟動，正常運行時，電機主回路處于角形連接。當電機實際運行負荷低于額定負荷時，電機主回路發(fā)生YΔ?轉(zhuǎn)變。這樣就降低了電機的額定負荷值，使得電機在運行階段的實際負荷與額定負荷基本相匹配，在很大程度上提高了電機的功率因數(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： 當電機驅(qū)動速度小于減速箱軸的轉(zhuǎn)速時，電機和抽油機能夠脫離傳動，電機負載運行但和空載運行一樣不會發(fā)生拖動電機發(fā)電的現(xiàn)象。它能提高沖次，增加產(chǎn)液量，而且節(jié)電效果相當顯著，完全符合節(jié)電的要求。

合理的選用電機 選用合理的電機可以更好的使抽油機實際負荷與電機的負荷相匹配，還可以適當?shù)难a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)差電機可以適當選用小容量的電機，能夠提高電機的啟動轉(zhuǎn)矩，使扭矩波動變小，有效利用機械軟特性的特點：降低換向加速度，使抽油機的機、桿、泵達到一種柔性的配合，基本消除發(fā)電現(xiàn)象。

變頻調(diào)速電機 工作原理：將變頻控制柜(裝有微電腦程序控制系統(tǒng))加在電機上，抽油機上下行時，智能變頻調(diào)速裝置回饋制動單元能夠自動調(diào)節(jié)存儲電能以及將存儲的電能供給電機，還可以自動調(diào)節(jié)上下行程的速度，自動調(diào)整電機的頻率以增減沖次［7］。這種電機具有零啟動軟啟動的特點，與負荷實現(xiàn)了柔性配合，減少了電機空載運行的情況，對電網(wǎng)的沖擊小，能夠補償動態(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)化拖動系統(tǒng)性能。這種新型節(jié)能減速器可以實現(xiàn)“長沖程、低沖次”，降低拖動系統(tǒng)的能耗。

工作原理：安裝在抽油機電機與變速箱之間，由用螺栓固定在抽油機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皮帶輪組成的。小皮帶輪與抽油機，大皮帶輪與電機都是由皮帶相連的。電機皮帶輪①采用大小組合輪，②可采用內(nèi)張式連接，這樣可實現(xiàn)有級變速，而且拆卸方便。使用時，加大傳動比，可以提高電機的功率因數(shù)，降低抽油機的沖次，實現(xiàn)抽油機、電機功率相匹配以節(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，桿管偏磨嚴重等情況的油井的采油工況。它的優(yōu)點主要有：①降低電機無功損耗，降低配置電機的額定功率，啟動、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，優(yōu)化了油井運行參數(shù)；②節(jié)約電能，降低設備投入費用和維護費用。

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

3 結(jié) 論

抽油機的節(jié)能尤其是拖動系統(tǒng)的節(jié)能越來越受到關注。目前國內(nèi)外研發(fā)了很多節(jié)能型抽油機和抽油機節(jié)能設備等等。從結(jié)構上或是從裝置上抽油機的節(jié)能還有很大的發(fā)展空間。改造現(xiàn)有抽油機的結(jié)構，從電機原理這一角度來考慮提高驅(qū)動電機的功率因數(shù)，設計新型的減速裝置等等都將會使抽油機節(jié)能進入一個新階段。

［1］白連平，王玉生 . 游梁抽油機節(jié)能電機選擇方法的討論[J].鉆采工藝，2007，30(2)：94-95.

［2］常瑞清，劉建春，李春紅 . 常規(guī)抽油機節(jié)能潛力分析[J].油氣田地面工程，2008，27(2)：43-4.

［3］Cornel Ianache, Boris Siro. Torques Study of Oil Field Pumping Units Using a Mat-GUI-Sim Hybrid Environment [J]. Petroleum-Gas University of Ploiesti Bulletin, 2009, 61 (2): 23-28.

［4］宗貽平，李丙文，陸蒙湘，等 . 鋼絲繩傳動的杠桿式游梁抽油機：中國，201020187676.3[P]. 2010-12-15.

［5］毛宏偉，劉博. 塔架式組合傳動抽油機：中國，200810238864.1[P]. 2009-4-22.

［6］張繼震，馬廣杰，孫景麗，等 . 游梁抽油機的用電發(fā)電與節(jié)電[J].石油礦場機械，2001，30(4)：36-38.

［7］王釗，秦英，李權 . 抽油機節(jié)能電機的應用分析[J].石油礦場機械，2007，36(8)：58-61.

［8］單建良.抽油機節(jié)能減速器的應用分析[J].中國設備工程，2011(5)：56-57.

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。