孫亞州（中國石油天然氣集團公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心）

抽油機用超越離合器提高系統(tǒng)效率與節(jié)能效果分析

孫亞州（中國石油天然氣集團公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心）

游梁式抽油機電動機由于受結(jié)構(gòu)等因素影響，在運行過程中會出現(xiàn)反發(fā)電現(xiàn)象，將抽油機機械能轉(zhuǎn)化為電能，該部分電能無法被利用，同時也降低了抽油機井的系統(tǒng)效率。抽油機加裝超越離合器后，使交流電動機單向出力，油桿下落的勢能除克服摩擦力外幾乎全部轉(zhuǎn)化為平衡塊的動勢能，從而發(fā)揮平衡塊的儲能作用，消除四連桿機構(gòu)中的機械內(nèi)應力，使抽油機具有平衡自適應能力，提高節(jié)能效果及系統(tǒng)效率。

游梁式抽油機 超越離合器 系統(tǒng)效率 動態(tài)平衡

隨著油田開發(fā)進入高含水階段，能耗量持續(xù)增加。目前大慶油田機采井的年耗電量約占油田油氣生產(chǎn)年耗電量的30%左右，是油田主要耗能系統(tǒng)之一。因此，運用先進的節(jié)能技術(shù)及措施提高機采井的系統(tǒng)效率，降低能耗，對挖掘抽油機節(jié)能潛力、創(chuàng)造經(jīng)濟效益，提高抽油機能效管理水平有很大意義。

1 抽油機電動機運行

1.1 抽油機電動機反發(fā)電特性

游梁式抽油機工作原理是電動機通過皮帶傳動帶動減速箱，由四連桿機構(gòu)把減速箱輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橛瘟后H頭帶動抽油桿的上下往復直線運動。目前國內(nèi)外抽油機是以驢頭懸點上下沖程時間相等為設(shè)計基礎(chǔ)。上沖程時，電動機做功帶動抽油機提升原油及抽油桿柱上升；下沖程時，由于受四連桿機構(gòu)的影響，抽油機懸點載荷作用在曲柄軸上的載荷扭矩會產(chǎn)生一定的偏移[1]，即會出現(xiàn)“負扭矩”。當出現(xiàn)這種情況時，抽油機將拖動電動機運行，電動機此時的轉(zhuǎn)速大于其同步轉(zhuǎn)速，處于發(fā)電狀態(tài)。當交流電動機轉(zhuǎn)速超過其同步轉(zhuǎn)速時，電動機參與了抽油機的平衡機能，將抽油桿下落的能量部分轉(zhuǎn)化為電能，這種損耗可達50%左右，而且這部分能量在電網(wǎng)上的應用很小，效率低下。實際測試抽油機功率曲線中發(fā)現(xiàn)，抽油機井中交流電動機負發(fā)電現(xiàn)象非常普遍，這也是造成抽油機地面系統(tǒng)效率低的一個主要因素。

1.2 電動機反發(fā)電的危害性

電動機的反發(fā)電是一種不利于抽油機運行的影響因素，主要出現(xiàn)在下沖程中后期抽油桿反拖驢頭的過程中。異步電動機發(fā)電需從電網(wǎng)中汲取滯后的無功功率進行勵磁，而這部分功率比較大，約為電動機額定功率的1/5～1/4，這將加大電網(wǎng)無功功率損耗，降低電網(wǎng)功率因數(shù)[2]。從能量守恒角度上講，電動機發(fā)電過程中，把部分儲存在抽油機平衡塊中的機械能轉(zhuǎn)化為了電能反饋到電網(wǎng)，而這部分能量其實是最初電網(wǎng)提供給電動機的，這就造成了電動機長期處于交替發(fā)電的運行狀態(tài)，在電能-機械能-電能的轉(zhuǎn)換過程中消耗大量的能量，加重生產(chǎn)成本，降低收益。同時，由于電動機反發(fā)電是在抽油機拖動下進行的，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，其所發(fā)電的相位及頻率都不能達到電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求，從而會污染電網(wǎng)，造成電網(wǎng)供電不穩(wěn)，對電動機運行產(chǎn)生不良影響，甚至損壞電動機，影響油田生產(chǎn)。

2 抽油機超越離合器應用

2.1 超越離合器技術(shù)原理

抽油機超越離合器是一種只能單方向傳輸動力的機械機構(gòu)，安裝在游梁式抽油機的傳動系統(tǒng)中，使電動機只能單向傳遞扭矩，就像自行車的飛輪一樣。當抽油機運行到下沖程中后期，電動機即將產(chǎn)生負扭矩的瞬間，超越離合器內(nèi)部的棘輪結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)脫開，完成瞬態(tài)超越，使得抽油機的動力傳送系統(tǒng)變?yōu)閱蜗騽恿鲃?，動力傳不過去，油桿下降的能量只能轉(zhuǎn)化為平衡塊的機械能。這時電動機相當于空載運行，抽油機無法反拖電動機發(fā)電，消除了負功，杜絕了反發(fā)電現(xiàn)象，同時提高了電動機和皮帶的傳動效率，可達到提高系統(tǒng)效率及節(jié)能的目的。由于電動機沒有參與抽油機的平衡，使得抽油機的平衡準確性得到了很大提高，抽油機系統(tǒng)具有一定的自適應能力，可以保證抽油機長期在平衡狀態(tài)下運行。

表1 超越離合器應用節(jié)能效果對比

2.2 超越離合器現(xiàn)場應用

2014年，在喇嘛甸油田對5臺安裝超越離合器裝置的抽油機進行了現(xiàn)場節(jié)能效果測試，通過對其改造前后進行現(xiàn)場比對測試，5臺抽油機井安裝超越離合器后平均有功節(jié)電率為10.15%，無功節(jié)電率為15.95%，綜合節(jié)電率為10.46%，系統(tǒng)效率平均提高了5.62%，產(chǎn)液量平均提高了2.6 t/d，取得了較好的增產(chǎn)和節(jié)能效果，并有效提高了抽油機井的系統(tǒng)效率，見表1。

以喇1#井為例，安裝超越離合器前：電動機輸入功率為9.64 kW，噸液百米耗電0.79 kWh，系統(tǒng)效率35.66%，產(chǎn)液量45 t/d。安裝后：電動機輸入功率為9.02 kW，噸液百米耗電0.70 kWh，系統(tǒng)效率41.83%，產(chǎn)液量47 t/d。節(jié)能效果：有功節(jié)電率11.50%，綜合節(jié)電率12.19%，系統(tǒng)效率提高了6.17%。由此可見，安裝超越離合器后，抽油機井的節(jié)電效果及系統(tǒng)效率都取得了明顯的提高。

從平衡度情況來看，安裝超越離合器后，抽油機平衡度在未進行人工調(diào)整的情況下，隨著產(chǎn)液量等參數(shù)的變化實現(xiàn)了相應的調(diào)整。其中喇3#井的平衡度在安裝前不合格，安裝后隨著工況的變化平衡度已經(jīng)合格，基本實現(xiàn)了超越離合器對抽油機平衡度調(diào)整的功能，提高了抽油機平衡調(diào)整的準確性。

3 結(jié)束語

通過對超越離合器裝置的研究及現(xiàn)場實際應用效果測試，可以得出以下結(jié)論：

1）超越離合器改變了抽油機原來的傳動原理，通過單向扭矩傳送，解決了電動機反發(fā)電的問題，基本消除了負功，有效提高電動機的傳動效率；在不改變皮帶輪輪徑的情況下，能夠快速便捷的實現(xiàn)抽油機平衡的自適應變化，適應了抽油機生產(chǎn)需要。

2）安裝超越離合器后，抽油機井可以實現(xiàn)增產(chǎn)效果，同時降低了抽油機有功及無功單耗，提高了系統(tǒng)效率，實現(xiàn)了節(jié)能效果。

3）有效解決了電動機參與抽油機平衡的情況，對抽油機實現(xiàn)精確平衡，更好的實現(xiàn)平衡控制具有很好的效果。

[1]鄔亦炯.游梁式抽油機曲柄軸扭矩計算公式剖析[J].石油機械,1994,22(5):35-42.

[2]葛蘇鞍,何靜.抽油機電動機運行狀態(tài)分析[J].油田節(jié)能,2000,11(1):35-36.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.007.021

2015-06-09）

孫亞州，2014年畢業(yè)于黑龍江科技學院，從事油田節(jié)能監(jiān)測工作，E-mail：13136813666@163.com，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)西賓路48號，163453。