楊武成

摘 要：本文依據(jù)目前在油田生產(chǎn)中廣泛使用的節(jié)能抽油機(jī)的技術(shù)狀況，提出了節(jié)能抽油機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的技術(shù)路線和發(fā)展趨勢(shì)，并指出未來(lái)新型節(jié)能抽油機(jī)的設(shè)計(jì)制造應(yīng)從改變機(jī)械結(jié)構(gòu)，改進(jìn)電氣控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化綜合應(yīng)用等方面入手來(lái)達(dá)到提高效能、節(jié)約能耗的目的。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；節(jié)能；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；發(fā)展趨勢(shì)

Abstract： On the basis of the technical status of such widely used in the production of oilfield pumping unit， the energy-saving technology and development trend of oil pumping machine innovation design， and points out the future design of new oil pump manufacturing should change the mechanical structure， improved electrical control， realize the comprehensive application of the mechanical and electrical integration and other aspects to improve the efficiency and to reduce energy consumption.

Keywords： Pumping unit； energy saving；innovative design； development trend

中圖分類號(hào)：TE933.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

目前，我國(guó)已成為僅次于美國(guó)之后的世界上第二大能源消耗國(guó)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，未來(lái)幾年我國(guó)對(duì)原油的需求量仍將急劇增加，僅依靠目前的能源生產(chǎn)和利用狀況，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場(chǎng)需求，而大量依靠石油進(jìn)口更不符合我國(guó)國(guó)情，它將使我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)。如何面對(duì)這一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)？一方面需要提高我國(guó)的石油生產(chǎn)量，而另一方面需要提高全社會(huì)能源利用效率，特別是提高能源生產(chǎn)企業(yè)、高耗能企業(yè)的能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

我國(guó)的油田不像中東的油田那樣有很強(qiáng)的自噴能力，如延長(zhǎng)油田，多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，要靠注水壓油入井，再用抽油機(jī)把油從地層中提升上來(lái)。以水換油或者以電換油是我國(guó)油田的基本現(xiàn)狀，因而，電費(fèi)開支在我國(guó)石油石化企業(yè)的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例，所以，石油生產(chǎn)企業(yè)不但要提高產(chǎn)能，而且要高度重視節(jié)約電能。

隨著節(jié)能工作的深入，目前已有近30%的油井使用了節(jié)能設(shè)備，如各種節(jié)能型抽油機(jī)、節(jié)能型電機(jī)以及節(jié)能配電箱等等。這樣，在保證生產(chǎn)產(chǎn)能的前提下，既合理使用了能源，又最大限度地節(jié)約了能源，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國(guó)抽油機(jī)的保有量在數(shù)十萬(wàn)臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?500MW以上，每年耗電量高達(dá)百億千瓦時(shí)。由于抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低，在我國(guó)平均效率為25.96%，而國(guó)外平均效率為30.05%，待挖掘的年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億千瓦時(shí)。由此可見，石油生產(chǎn)企業(yè)是節(jié)能降耗的重點(diǎn)行業(yè)。

1.目前國(guó)內(nèi)抽油機(jī)的技術(shù)狀況

國(guó)內(nèi)大量權(quán)威的科學(xué)測(cè)試和能源審計(jì)的數(shù)據(jù)早已表明，目前正在油田日復(fù)一日不停運(yùn)行著的用于抽取原油的大量抽油機(jī)的有效電耗僅占其實(shí)際總電耗的1/3左右，而抽油機(jī)的運(yùn)行總耗電量超過(guò)油田總耗電量的40%已是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。因此，必須通過(guò)采用創(chuàng)新技術(shù)來(lái)降低抽油機(jī)的能耗，提高原油產(chǎn)出效率，對(duì)油田如期完成“十三五”期間20%的節(jié)能指標(biāo)無(wú)疑會(huì)起到舉足輕重的作用。

廣大科技工作者為了實(shí)現(xiàn)“節(jié)能降耗”，采取了眾多措施，諸如革新抽油機(jī)基本結(jié)構(gòu)，降低抽油機(jī)總體用鋼量，降低抽油機(jī)無(wú)功功耗，減小抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)功率等方案，通過(guò)近年來(lái)的實(shí)踐和不斷創(chuàng)新，在各大油田廣泛應(yīng)用的節(jié)能型抽油機(jī)有異相曲柄平衡游梁式抽油機(jī)、彎梁變矩型抽油機(jī)、下偏杠鈴型抽油機(jī)、雙驢頭型抽油機(jī)、直線電機(jī)式抽油機(jī)、漸開線抽油機(jī)等等。從結(jié)構(gòu)上講，一類屬于有游梁式，一類屬于無(wú)游梁式。從平衡方式上講，一類屬于曲柄平衡式，一類屬于吊重平衡式，還有用復(fù)合平衡方式進(jìn)行平衡的。

異相曲柄平衡游梁式抽油機(jī)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)、外主流機(jī)型，是替代傳統(tǒng)常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的節(jié)能機(jī)型。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的應(yīng)用和改進(jìn)，該機(jī)以性能穩(wěn)定、可靠性高、節(jié)能效果較好得到國(guó)內(nèi)各油田的推廣和應(yīng)用。

雙驢頭抽油機(jī)是在常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展的新一代抽油設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)的四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，其連桿、搖桿的長(zhǎng)度可變，系統(tǒng)的扭矩曲線較好地吻合了抽汲曲線，因此它不僅保持了常規(guī)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有低沖次、節(jié)能、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

直線電機(jī)式抽油機(jī)是總結(jié)了百年來(lái)游梁抽油機(jī)和無(wú)游梁抽油機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，利用直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)方式，減少了約26%的傳動(dòng)能量損失，利用天平式平衡方式改善了平衡效果，其節(jié)能效果較好。

漸開線抽油機(jī)是新一代節(jié)能抽油機(jī)，較異相曲柄平衡抽油機(jī)節(jié)能效果有大幅度提高，從凈扭矩曲線的變化規(guī)律可以看出，漸開線節(jié)能抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩曲線變化平緩，消除了負(fù)扭矩。在相同參數(shù)條件下，該機(jī)減速箱額定扭矩比常規(guī)游梁式抽油機(jī)下降30%以上，裝機(jī)功率下降50%左右，具有顯著的節(jié)電效果。

2.新型節(jié)能抽油機(jī)開發(fā)的技術(shù)路線

在抽油機(jī)開發(fā)制造行業(yè)，隨著近年來(lái)鋼材價(jià)格的上漲，設(shè)計(jì)開發(fā)者對(duì)抽油機(jī)械進(jìn)行了從原理到結(jié)構(gòu)，再到動(dòng)力控制等諸多方面的革新和探索，國(guó)內(nèi)節(jié)能型抽油機(jī)出現(xiàn)了百家爭(zhēng)鳴、百花齊放的良好局面。

由于國(guó)家政策的引導(dǎo)，電費(fèi)開支的上漲，迫使石油生產(chǎn)企業(yè)也在抽油機(jī)的招標(biāo)、使用等方面盡可能地推廣和使用節(jié)能型抽油機(jī)。

基于上述原因，本文認(rèn)為新型節(jié)能抽油機(jī)開發(fā)的技術(shù)路線應(yīng)從以下幾方面入手。

（1）新型節(jié)能抽油機(jī)的關(guān)鍵在于節(jié)能降耗。這不但符合國(guó)家政策，也利于石油生產(chǎn)企業(yè)壓縮生產(chǎn)成本即節(jié)約大量的電費(fèi)開支。

節(jié)能降耗路線之一——平衡理論節(jié)能路線。抽油機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵在于平衡效果。平衡效果越好，上下沖程所需動(dòng)力差異越小，需配備的動(dòng)力就越小，必然節(jié)能。目前，常用的平衡方式主要有曲柄平衡、游梁平衡、曲柄和游梁復(fù)合平衡等，這幾種平衡方式是靜態(tài)的平衡。另外還有動(dòng)態(tài)平衡方式的如氣平衡、液壓平衡、數(shù)控平衡等等，雖然平衡效果較好，但是結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜。

節(jié)能降耗路線之二——大沖程小沖次理論節(jié)能路線。這種理論就是通過(guò)加大抽油機(jī)沖程，減少抽油機(jī)沖次以降低動(dòng)載系數(shù)來(lái)節(jié)能。目前主要有増程游梁式抽油機(jī)和増程無(wú)梁式抽油機(jī)兩大類。増程抽油機(jī)和長(zhǎng)沖程抽油機(jī)在富油油田應(yīng)用較多。

節(jié)能降耗路線之三——電控節(jié)能路線。目前主要廣泛應(yīng)用的有：一種是采用控制抽、停周期的電子節(jié)能裝置，另一種是采用變頻調(diào)速來(lái)減慢抽汲次數(shù)的電子節(jié)能裝置。在不影響產(chǎn)能的前提下，針對(duì)空抽等現(xiàn)象，用間抽等方式以實(shí)現(xiàn)不作無(wú)用功或少作無(wú)用功來(lái)節(jié)能。在油田上較多的是改進(jìn)電控系統(tǒng)、增加電機(jī)變頻器、使用功率因素較高的高性能電機(jī)等。

節(jié)能降耗路線之四——著力改進(jìn)三抽系統(tǒng)的部件工作效率。如多數(shù)采用抽油桿導(dǎo)向器、加裝空心抽油桿、采用減振式懸繩器等部件，都可在一定程度上提高三抽系統(tǒng)的工作效率，達(dá)到節(jié)能目的。

（2）新型節(jié)能抽油機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵在于高可靠性。石油生產(chǎn)企業(yè)壓縮生產(chǎn)成本另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)即節(jié)約大量的井場(chǎng)維護(hù)開支成本。在新型節(jié)能抽油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證關(guān)鍵件在正常使用壽命周期內(nèi)無(wú)故障，次要關(guān)鍵件在大修期內(nèi)無(wú)故障。這就要求抽油機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)抽油機(jī)從抽吸原理、抽油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件制造到日常使用等多方面綜合分析，積極利用先進(jìn)制造技術(shù)（AMT）來(lái)提高抽油機(jī)的設(shè)計(jì)水平、制造質(zhì)量，以達(dá)到“節(jié)能降耗”的最終目的。

（3）新型節(jié)能抽油機(jī)應(yīng)盡可能節(jié)約抽油機(jī)本身的制造成本，實(shí)現(xiàn)降耗。要想達(dá)到新型節(jié)能抽油機(jī)“節(jié)能、增產(chǎn)、耐用”這三重目標(biāo)，就必須面對(duì)抽油機(jī)、電氣控制、油井，從系統(tǒng)工程學(xué)的角度出發(fā)去研究實(shí)現(xiàn)方案，任何單一途徑的改良，都很難取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。面對(duì)目前國(guó)情，結(jié)合國(guó)內(nèi)抽油機(jī)制造行業(yè)特點(diǎn)，筆者認(rèn)為，應(yīng)該首先倡導(dǎo)積極地采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，建立新型節(jié)能抽油機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，并根據(jù)國(guó)內(nèi)抽油機(jī)及油井的使用工況，通過(guò)虛擬樣機(jī)分析，對(duì)新型節(jié)能抽油機(jī)的整機(jī)性能和可靠性做詳細(xì)的分析研究，以彌補(bǔ)因缺少先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段而忽略的整機(jī)性能分析。通過(guò)這些途徑，以不斷提高新型節(jié)能抽油機(jī)的可靠性和降低其制造成本。

3.新型節(jié)能抽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

新型節(jié)能抽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）品種多樣化

隨著國(guó)家政策的宏觀調(diào)控，新型科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)油田現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)實(shí)需要，經(jīng)過(guò)廣大抽油機(jī)工程師的努力，我國(guó)的新型節(jié)能抽油機(jī)的品種必將逐步增多，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法（如可靠性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助仿真分析等）設(shè)計(jì)的各種新型節(jié)能抽油機(jī)必將大有發(fā)展。

（2）產(chǎn)品進(jìn)一步系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，并逐步向API靠攏

伴隨著研究抽油機(jī)等產(chǎn)品的科研院所和諸多抽油機(jī)制造公司企業(yè)的努力，國(guó)內(nèi)節(jié)能抽油機(jī)已經(jīng)逐步從形式試驗(yàn)進(jìn)而轉(zhuǎn)入到量產(chǎn)階段，并逐步向系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化方向發(fā)展。為使國(guó)產(chǎn)抽油機(jī)打入國(guó)際市場(chǎng)，還將積極向API靠攏，為出口創(chuàng)造有利的條件。

（3）把著力提高抽油機(jī)的節(jié)能效果作為新型節(jié)能抽油機(jī)研制的主攻方向

比如進(jìn)一步改進(jìn)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)、采用節(jié)能驅(qū)動(dòng)設(shè)備、采用節(jié)能控制裝置、采用節(jié)能元器件、改進(jìn)平衡方式、改進(jìn)三抽系統(tǒng)部件性能等。

（4）提高抽油機(jī)可靠性、降低維護(hù)難度

由于抽油機(jī)長(zhǎng)年累月在荒野環(huán)境下作業(yè)，在惡劣的環(huán)境下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，如何進(jìn)一步提高抽油機(jī)的整機(jī)質(zhì)量水平，把提高抽油機(jī)連續(xù)性工作的可靠性、耐用性與良好的工作性能并重來(lái)進(jìn)行研究，是新型節(jié)能抽油機(jī)發(fā)展的重要方向。并且，新型節(jié)能抽油機(jī)還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件少、操作維護(hù)方便的特點(diǎn)。

（5）逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)參數(shù)等功能

綜上所述，新型節(jié)能抽油機(jī)還將朝著自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，長(zhǎng)沖程、大載荷、精確平衡，節(jié)能降耗、提高適應(yīng)性等方向發(fā)展。

結(jié)論

最近，國(guó)家對(duì)工業(yè)用電實(shí)行新的價(jià)格調(diào)節(jié)措施，對(duì)高耗能企業(yè)如石油生產(chǎn)企業(yè)而言，無(wú)疑電費(fèi)支出將逐漸成為生產(chǎn)成本支出的主要部分。要擴(kuò)大企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，要實(shí)現(xiàn)國(guó)家下達(dá)的節(jié)能降耗目標(biāo)，就必須竭盡所能，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中使用節(jié)能技術(shù)。作為生產(chǎn)制造能源的石油企業(yè)來(lái)說(shuō)，采用高效節(jié)能的新型節(jié)能抽油機(jī)必將成為其節(jié)能降耗的有力武器。而作為抽油機(jī)制造企業(yè)而言，要在競(jìng)爭(zhēng)激烈的抽油機(jī)市場(chǎng)占有一席之地，其未來(lái)新型節(jié)能抽油機(jī)的設(shè)計(jì)制造就應(yīng)從改變機(jī)械結(jié)構(gòu)，改進(jìn)電器控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化綜合應(yīng)用等方面入手來(lái)達(dá)到提高效能、節(jié)約能耗的目的。

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基金項(xiàng)目：2014年西安航空學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（2014KY1207），2017年度西安航空學(xué)院機(jī)電技術(shù)研究所科研基金。