谷瑀（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

目前游梁式抽油機(jī)在應(yīng)用數(shù)量與規(guī)模上都占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但游梁抽油機(jī)因傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，傳遞能量損失大，導(dǎo)致其采油系統(tǒng)效率低。該類機(jī)型因上、下死點(diǎn)加速度大，影響了結(jié)構(gòu)安全和使用壽命。該機(jī)型工頻直接啟動(dòng)所需啟動(dòng)力矩大約是正常工作力矩的3～5 倍，通常采用較大功率電動(dòng)機(jī)，但正常采油過(guò)程中負(fù)載變輕，同時(shí)由于懸點(diǎn)上行和下行過(guò)程負(fù)載因數(shù)不同，這種功率不匹配或電動(dòng)機(jī)交替不對(duì)等做功現(xiàn)象，不僅降低了電網(wǎng)功率因數(shù)，還嚴(yán)重影響到抽油機(jī)結(jié)構(gòu)安全，降低了工作效率，增加了大量能耗[1]。

基于以上原因，研發(fā)了游梁隨動(dòng)平衡裝置。該裝置能夠適應(yīng)電動(dòng)機(jī)舉升平衡重儲(chǔ)存的能量與平衡重下降釋放的能量不相等，使電動(dòng)機(jī)舉升平衡重消耗的功率小于平衡重下降時(shí)釋放能量產(chǎn)生的功率，電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行，從而使該類型抽油機(jī)節(jié)能效果和運(yùn)行可靠性進(jìn)一步提高。改造后的抽油機(jī)既具有普通游梁式抽油機(jī)的耐用、維護(hù)費(fèi)用低、調(diào)參簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，又具有高效、可靠、安全的性能。同時(shí)，對(duì)于開(kāi)拓游梁式抽油機(jī)在深井、稠油井、含氣井以及特殊井等領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和工程意義。

1 裝置結(jié)構(gòu)與原理

游梁式抽油機(jī)尾部隨動(dòng)平衡裝置由定位板、復(fù)配重、復(fù)配重平衡、配重塊、2 個(gè)拉桿組成，由安裝拉桿和吊車配合安裝。隨動(dòng)平衡裝置設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 隨動(dòng)平衡裝置設(shè)計(jì)Fig.1 Design of servo-balancing device

在不改游梁的主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加游梁隨動(dòng)輔助平衡裝置，提高平衡比[2]，隨動(dòng)平衡裝置運(yùn)行狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 隨動(dòng)平衡裝置運(yùn)行狀態(tài)Fig.2 Operational state of servo-balancing device

抽油機(jī)驢頭在上死點(diǎn)附近時(shí)曲柄帶動(dòng)連桿向后移動(dòng)，輔助平衡向前移動(dòng)。下沖程時(shí)輔助平衡的重心至支點(diǎn)的距離縮短，電動(dòng)機(jī)舉升平衡重的功率減少。抽油機(jī)的驢頭在下死點(diǎn)附近時(shí)曲柄帶動(dòng)連桿向前移動(dòng)，輔助平衡向后移動(dòng)。上沖程時(shí)輔助平衡的重心至支點(diǎn)的距離延長(zhǎng)，平衡效果增加，平衡重與井口負(fù)荷的差值減少，電動(dòng)機(jī)提升井內(nèi)液體的功率減少[3]。

2 裝置技術(shù)特點(diǎn)

2.1 先進(jìn)性

懸點(diǎn)載荷作用在曲柄軸上的扭矩曲線為近似的正弦曲線（正、負(fù)扭矩波動(dòng)）。為此，需要對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，使上述扭矩波動(dòng)盡量減小。平衡設(shè)計(jì)目標(biāo)為：電動(dòng)機(jī)輸出的功率大于曲柄軸凈扭矩的最大功率，由此平衡后能夠有效地降低曲柄軸上的凈扭矩峰值，減少其波動(dòng)幅度[4]。

1）以常規(guī)游梁抽油機(jī)機(jī)型為對(duì)象，通過(guò)游梁隨動(dòng)輔助平衡設(shè)計(jì)，以能耗最小為目標(biāo)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)和平衡參數(shù)確定，確保了技術(shù)層面的科學(xué)性。

2）隨動(dòng)平衡裝置打破了常見(jiàn)游梁平衡只改變平衡重質(zhì)量不改變平衡重重心位置的傳統(tǒng)做法，在設(shè)計(jì)理念上具有先進(jìn)性。

3）在游梁尾部安裝隨動(dòng)平衡裝置具有較好的經(jīng)濟(jì)性，隨動(dòng)平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，運(yùn)維經(jīng)濟(jì)，針對(duì)不同的機(jī)型可方便調(diào)換平衡重質(zhì)量。

2.2 可靠性

以常規(guī)游梁抽油機(jī)（單驢頭四桿機(jī)構(gòu)）為研究對(duì)象，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)并合理安裝游梁隨動(dòng)平衡裝置，以局部設(shè)計(jì)達(dá)到整機(jī)優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)，隨動(dòng)平衡裝置不但繼承了四桿機(jī)構(gòu)定比傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，而且大大增加了整機(jī)的可靠性[5-6]。

2.3 安全性

常規(guī)游梁抽油機(jī)歷經(jīng)幾十年，在世界范圍內(nèi)都有廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)安全性經(jīng)歷了市場(chǎng)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的考驗(yàn)。通過(guò)在游梁尾部增加隨動(dòng)平衡裝置，其結(jié)構(gòu)尺度小、質(zhì)量輕，并不影響四桿傳動(dòng)要求和精度，也不會(huì)增加游梁負(fù)載，安裝與維護(hù)便利，隨動(dòng)平衡重會(huì)使整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性更加優(yōu)化和完善[7-8]。

3 裝置應(yīng)用

游梁式抽油機(jī)尾部隨動(dòng)裝置滿足了游梁式抽油機(jī)安裝要求，并且達(dá)到了游梁式抽油機(jī)啟抽條件，2021 年1 月份在井1 安裝游梁隨動(dòng)平衡裝置并跟蹤運(yùn)行效果。

3.1 仿真模擬分析

針對(duì)游梁隨動(dòng)輔助平衡抽油機(jī)，建立系統(tǒng)仿真模型，對(duì)其進(jìn)行各種工況下的力學(xué)行為分析與有限元數(shù)值模擬，獲取動(dòng)力學(xué)特性和力矩特性曲線，對(duì)隨動(dòng)輔助平衡進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]：

1）仿真模擬分析機(jī)型選擇：CYJY10-4.2-53HB。

2）仿真模擬分析參數(shù)選擇：上沖程10 t，下沖程4 t，沖次6 min-1。

3）仿真模擬分析目的：經(jīng)分析對(duì)比，確定抽油機(jī)尾部移動(dòng)輔助平衡裝置與水平方向夾角。輔助平衡裝置質(zhì)量500 kg，對(duì)比角度75°、80°、85°100°。

4）仿真模擬分析假設(shè)條件：不考慮抽油機(jī)自身平衡問(wèn)題（不添加曲柄平衡塊），通過(guò)在輸出軸處添加載荷，對(duì)比分析輔助平衡裝置不同角度下的輸出扭矩及能量消耗[10]。

3.2 效果對(duì)比

模擬分析結(jié)果對(duì)比統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。綜合考慮輔助平衡裝置自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抽油機(jī)游梁、橫梁等與其連接部件的強(qiáng)度以及靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程，輔助平衡裝置與水平方向夾角80°為最優(yōu)夾角，以達(dá)到周期運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

表1 模擬分析結(jié)果對(duì)比統(tǒng)計(jì)Tab.1 Comparative statistics of simulation analysis results

游梁隨動(dòng)平衡裝置安裝選井條件以常規(guī)游梁式CYJY10-4.2-53HB 型抽油機(jī)為主，應(yīng)用游梁隨動(dòng)平衡裝置后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際扭矩均低于電動(dòng)機(jī)額定扭矩，負(fù)載額定扭矩仍然保持為53 kN·m，保證了抽油機(jī)原有的安全運(yùn)行要求。

選擇井1 為試驗(yàn)井，該井在應(yīng)用游梁隨動(dòng)平衡裝置前平衡塊無(wú)調(diào)整余地，安裝后平衡比上升顯著。井1 安裝游粱隨動(dòng)平衡裝置平衡效果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 井1 安裝游梁隨動(dòng)平衡裝置平衡效果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Balancing effect statistics of installing beam servobalancing device in Well 1

4 節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)效益

跟蹤統(tǒng)計(jì)該井應(yīng)用游梁隨動(dòng)平衡裝置的前后效果，在沖程、沖次、泵徑保持不變的情況下，噸液耗電和噸液百米耗電明顯下降，系統(tǒng)效率提升，節(jié)電率為12%。井1 安裝游梁隨動(dòng)平衡裝置節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 井1 安裝游梁隨動(dòng)平衡裝置節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Energy conservation effect statistics of installing beam servo-balancing device in Well 1

游梁隨動(dòng)輔助平衡裝置使用后平衡率保持較好水平，平均有功節(jié)電率達(dá)到了12%，單井年節(jié)電效果時(shí)率按96%、電價(jià)按0.7061 元/kWh 計(jì)算，節(jié)電量0.58×104kWh，節(jié)約電費(fèi)0.41 萬(wàn)元。

5 結(jié)論

1）綜合考慮輔助平衡裝置自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抽油機(jī)游梁、橫梁等與其連接部件的強(qiáng)度以及靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程，輔助平衡裝置與水平方向夾角80°為最優(yōu)夾角，安裝輔助平衡裝置后既具有普通游梁式抽油機(jī)的耐用、維護(hù)費(fèi)用低、調(diào)參簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，又具有高效、可靠、安全的性能。

2）游梁隨動(dòng)平衡裝置能夠使電動(dòng)機(jī)舉升平衡重儲(chǔ)存的能量與平衡重下降釋放的能量不相等，電動(dòng)機(jī)舉升平衡重消耗的功率小于平衡重下降時(shí)釋放能量產(chǎn)生的功率，使電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行，提高了平衡比和系統(tǒng)效率，平衡比由最初的74.1%上升至94.7%，系統(tǒng)效率由最初的15.8%上升至20.89%，年節(jié)約電量0.58×104kWh。