剪樹旭

抽油機(jī)機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置研制與應(yīng)用

剪樹旭

（遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦124010）①

介紹了抽油機(jī)機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)原理、技術(shù)參數(shù)及實(shí)現(xiàn)功能。該裝置在一定程度上解決了抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)存在著啟動(dòng)電流大、運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、耗電量大等問題?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：該裝置改善了電機(jī)啟動(dòng)性能，可采用比常規(guī)低5～15 k W的電機(jī)，同時(shí)也改善了傳動(dòng)系統(tǒng)的軟特性。該裝置是機(jī)械裝置，不產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)，安裝簡單，工作可靠，維護(hù)容易，使用壽命長。

抽油機(jī)；軟啟動(dòng)；節(jié)能

目前國內(nèi)各油田提升原油的主要設(shè)備大多采用抽油機(jī)，其在使用過程中要克服抽油桿柱和液柱的重力及傳動(dòng)系統(tǒng)的各種載荷。為了能順利啟動(dòng)，需要匹配比穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)所需功率大得多的電動(dòng)機(jī)，但啟動(dòng)完畢進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后所匹配的功率又遠(yuǎn)大于所需功率，造成“大馬拉小車”［1］的狀況，為此研制出抽油機(jī)機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置。該裝置零部件少，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝調(diào)整方便，資金投入小，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的小電流啟動(dòng)，具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，節(jié)電并可明顯改善電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量［2］；也實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)和皮帶過載保護(hù)的功能，防止電機(jī)和皮帶被燒損［3］。

1　結(jié)構(gòu)及原理

1.1結(jié)構(gòu)

抽油機(jī)機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　抽油機(jī)機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

1.2原理

1.2.1技術(shù)分析

該裝置力傳導(dǎo)媒介為鋼球，將其置于皮帶輪右端的殼體與鑄造葉輪所形成的6個(gè)空間內(nèi)。

鋼球所受離心力［4］為

式中：m 為鋼球質(zhì)量，kg；n 為電機(jī)軸轉(zhuǎn)速，r／min；r為鋼球體離心運(yùn)動(dòng)半徑，m。

鋼球與殼體內(nèi)圓柱面間摩擦轉(zhuǎn)矩［4］為

式中：f為鋼球與殼體內(nèi)圓柱面間摩擦因數(shù)；R為殼體內(nèi)圓柱面的半徑。

由摩擦轉(zhuǎn)矩公式可知，裝置皮帶輪所傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩T與殼體內(nèi)圓柱面的半徑R及鋼球的質(zhì)量m成一次方正比，與電機(jī)軸轉(zhuǎn)速n成二次方正比。因此，在電機(jī)轉(zhuǎn)速和裝置外形尺寸確定的情況下，可通過充填不同數(shù)量的鋼球產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)矩來適應(yīng)抽油機(jī)各種工作制度。同樣也可設(shè)計(jì)殼體內(nèi)圓柱面的不同半徑尺寸產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)矩來適應(yīng)抽油機(jī)各種工作制度。

1.2.2工作原理

將直徑為1～5 mm的鉻鋼鋼球置于皮帶輪右端的殼體與鑄造葉輪所形成的6個(gè)空間內(nèi)，并按比例加入定量的丹粉以增加鋼球間的摩阻，鑄造葉輪與電機(jī)主軸為過盈配合連接，通過鍵傳遞電機(jī)主軸的動(dòng)力，電機(jī)主軸與鑄造葉輪同步進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。鑄造葉輪推動(dòng)6個(gè)空間內(nèi)鋼球進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，鋼球可自身無序滾動(dòng)并與皮帶輪右端的殼體內(nèi)圓柱面產(chǎn)生滑動(dòng)，此時(shí)摩擦轉(zhuǎn)矩為滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩。因此電機(jī)軸所需功率僅用于克服滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩值較小，電動(dòng)機(jī)近似于空載啟動(dòng)。隨著電機(jī)軸轉(zhuǎn)速增高，鋼球所受離心力亦隨之增加，此離心力導(dǎo)致鋼球與殼體內(nèi)圓柱面間摩擦轉(zhuǎn)矩亦隨之增大，殼體與鑄造葉輪以鋼球?yàn)榱鲗?dǎo)媒介，轉(zhuǎn)速逐漸趨于一致，最終葉輪與殼體之間不存在轉(zhuǎn)速差，為同步運(yùn)行狀態(tài)［4］。從啟動(dòng)到皮帶輪與電動(dòng)機(jī)主軸達(dá)到同步轉(zhuǎn)速所需時(shí)間一般不超過數(shù)秒，皮帶輪是平緩的等加速啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)。當(dāng)鋼球與殼體內(nèi)圓柱面間摩擦轉(zhuǎn)矩小于抽油機(jī)負(fù)荷所產(chǎn)生的阻力矩時(shí)，鋼球與殼體內(nèi)圓柱面重新處于滑動(dòng)狀態(tài)，防止皮帶、電動(dòng)機(jī)的燒損，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)的過載保護(hù)［5-6］。

主要技術(shù)參數(shù)［7］如表1。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

2　實(shí)現(xiàn)功能

1）具有空載啟動(dòng)的功能。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，皮帶輪右端殼體內(nèi)圓柱面與鋼球處于滑動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)主軸空轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)軸轉(zhuǎn)速提高，裝置上的皮帶輪可實(shí)現(xiàn)與電機(jī)主軸速度的同步。

2）具有過載保護(hù)的功能。當(dāng)鋼球與殼體內(nèi)圓柱面間摩擦轉(zhuǎn)矩小于抽油機(jī)負(fù)荷所產(chǎn)生的阻力矩時(shí)，鋼球與殼體內(nèi)圓柱面重新處于滑動(dòng)狀態(tài)，限制了電機(jī)功率的增加，防止電機(jī)因堵轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的燒損。同時(shí)在此滑動(dòng)狀態(tài)下，亦可有效地防止皮帶與皮帶輪的打滑，防止皮帶的燒損。

3）具有調(diào)節(jié)傳遞功率的功能。在不超過電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的前提下，通過放置不同數(shù)量的鋼球以產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)矩來適應(yīng)抽油機(jī)的各種工作制度。

4）具有柔性緩沖及減振的功能。鋼球相互間的彈性運(yùn)動(dòng)可吸收傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)，降低對整個(gè)系統(tǒng)的剛性沖擊，起到柔性緩沖的作用，這一功能可有效延長抽油機(jī)系統(tǒng)的使用壽命。

5）具有降低能耗的功能。由于實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的空載啟動(dòng)，啟動(dòng)電流微弱，因而可采用比常規(guī)低5～15 kW 的電機(jī)。在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，該裝置可以削弱峰值電流3～5 A。抽油機(jī)所用電動(dòng)機(jī)功率一般為實(shí)際運(yùn)行功率的2.5倍左右，使用該裝置后可將電動(dòng)機(jī)功率降為實(shí)際運(yùn)行時(shí)所需功率的1.3～1.5倍，可達(dá)到節(jié)能的目的。

6）具有改善電網(wǎng)的功能。該裝置為機(jī)械裝置，不產(chǎn)生高次諧波，因而不會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，同其他節(jié)電裝置相比更加安全可靠。

7）具有安裝簡單、工作可靠、維護(hù)容易、投資少、使用壽命長的特點(diǎn)。單人即可進(jìn)行裝置的拆裝工作。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

試驗(yàn)井為遼河油田高采采油一區(qū)的2455C2生產(chǎn)井，根據(jù)該井具體工況，并出于節(jié)約成本的考慮，現(xiàn)場采用的是45 k W電機(jī)，造成啟動(dòng)困難且運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)皮帶易打滑，尤其是雨天，電機(jī)基本不運(yùn)轉(zhuǎn)。2012-08-06，安裝了機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置，選用37 k W電機(jī)，成功運(yùn)轉(zhuǎn)1 a，該井后改撈油。裝置運(yùn)行期間取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)［8］如表2。

表2　機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置在2455C2井的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

1）研制的機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置較好地解決了抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)“大馬拉小車”的狀況。

2）該裝置改善了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況，啟動(dòng)電流可下降1／2～2／3，節(jié)電率10%～24%。

3）該裝置可采用比常規(guī)低5～15 kW 的電動(dòng)機(jī)，因而可使設(shè)備投入減少。

4）現(xiàn)場施工工藝簡單，為安全環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品，具有較好的推廣前景。

［1］王釗，秦英，李權(quán)，等.抽油機(jī)節(jié)能電機(jī)的應(yīng)用分析［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（8）：58-61.

［2］金峰.抽油機(jī)加裝超越離合器實(shí)現(xiàn)節(jié)能［J］.石油機(jī)械，1998，26（6）：34-36.

［3］程學(xué)碧，應(yīng)華素.節(jié)能安全聯(lián)軸器在抽油機(jī)上的應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2007，35（9）：17-20.

［4］田興凱.提高氧化鋁回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)周期技術(shù)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2006.

［5］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：第2卷［K］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［6］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：第3卷［K］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012

［7］JB／T 5987—1992，鋼球式節(jié)能安全聯(lián)軸器［S］.

［8］阮晶琦，梁宏寶，鄭應(yīng)偉.不同工況下抽油機(jī)能耗規(guī)律研究［J］.石油礦場機(jī)械，2014，43（7）：8-12.

Development and Application of Mechanical Soft Start Device for Pumping Unit

JIAN Shuxu
（Drilling Technology Research Institute，Liaohe Oilfield Branch，Panjin 124010，China ）

The structure principle of mechanical soft start device，technical parameters and realize the function are introduced，the device solved the problems to a certain extent，which exist in pump motor，such as high motor start current and unsmooth run，which are large power consumption.Field application shows that the device improves the motor startup performance，about 5～15 k W less than previous motor，and the soft characteristics in the transmission is improved.The device is a mechanical device，no higher harmonic pollution in power grid produce；easy installation，reliable operation，easy maintenance，and long service life.

pumping unit；soft start；energy saving

TE933.1

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.023

1001-3482（2015）10-0092-03