張金超

（遼河油田遼興油氣開發(fā)公司，遼寧盤錦 124010）

1 抽油機的能耗分析

1.1 抽油機的主要能耗組成

抽油機的能耗主要包括機械能損耗、液動能損耗和熱能損耗。機械能損耗的主要來源包括油泵傳動系統(tǒng)的機械損耗和附件的機械損耗。油泵傳動系統(tǒng)的機械損耗主要由于軸承的滾動摩擦、齒輪之間的嚙合摩擦以及軸與軸套之間的摩擦引起。附件的機械損耗包括油泵附件如軸封、密封裝置、冷卻裝置等的能耗。液動能損耗主要包括管道摩阻損耗和局部阻力損耗。管道摩阻損耗是指由于油液流動時，油液與管道壁面之間摩擦引起的能耗。局部阻力損耗是指由于管道系統(tǒng)中出現(xiàn)節(jié)流、彎頭、彎管等局部裝置時引起的能耗。熱能損耗主要包括摩擦熱能損耗和泄漏熱能損耗。摩擦熱能損耗是指由于油泵傳動系統(tǒng)中齒輪、軸承等部件之間的相對滑動引起的能耗。泄漏熱能損耗是指油泵工作過程中由于油液密封失效或泄露而產(chǎn)生的能耗。還有一些其他能耗也需要考慮，如電能損耗、冷卻能耗等。電能損耗是指油泵驅(qū)動設備（如電機）在工作過程中消耗的能量。冷卻能耗是指運行中需要用來冷卻油泵或附件的能量。

1.2 各能耗組成對總能耗的貢獻分析

在對抽油機各能耗組成進行貢獻分析之前，首先需要明確一點，即抽油機的總能耗是由機械能損耗、液動能損耗、熱能損耗以及其他能耗（如電能損耗、冷卻能耗等）共同組成的。

其中，機械能損耗占比=（軸承摩擦損耗+齒輪嚙合摩擦損耗+軸與軸套摩擦損耗+附件機械損耗）/總能耗；

液動能損耗占比=（管道摩阻損耗+局部阻力損耗）/總能耗；

熱能損耗占比=（摩擦熱能損耗+泄漏熱能損耗）/總能耗。

除了上述三大能耗組成之外，我們還需要考慮電能損耗和冷卻能耗對總能耗的貢獻。其中，電能損耗占比=油泵驅(qū)動設備能耗/總能耗；冷卻能耗占比=冷卻油泵或附件的能耗/總能耗。根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到各能耗占比如表1所示。

表1 各能耗占比統(tǒng)計表

根據(jù)表1可以看出抽油機能耗組成的各個部分及其占比，具體如下：

（1）機械能損耗：占總能耗的60%。這是抽油機在運行過程中，由于機械設備摩擦、磨損等原因?qū)е碌哪芰繐p失。

（2）液動能損耗：占總能耗的25%。這部分能量損失主要發(fā)生在抽油機的泵送過程中，由于液體在管道中輸送時產(chǎn)生的阻力而導致的能量損耗。

（3）熱能損耗：占總能耗的5%。抽油機在運行過程中，由于油泵、電機等設備的發(fā)熱而產(chǎn)生的能量損失。

（4）電能損耗：占總能耗的5%。這部分能量損耗主要發(fā)生在抽油機的電氣設備部分，包括變壓器、電纜等設備的損耗。

（5）冷卻能耗：占總能耗的5%。冷卻能耗是為了保證抽油機正常運行而進行的冷卻系統(tǒng)所需的能量。

綜合以上分析，可以得出以下結(jié)論：①抽油機的能耗主要集中在機械能損耗、液動能損耗和熱能損耗上，其中機械能損耗占比最高，液動能損耗次之，熱能損耗最低；②電能損耗和冷卻能耗在總能耗中的占比相對較低，但仍然需要關注和優(yōu)化，以降低整個系統(tǒng)的能耗。

2 能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

2.1 數(shù)據(jù)采集方法和儀器

在測量機械能損耗時，采用了激光位移傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。激光位移傳感器可以測量軸承滾動摩擦引起的軸向位移，從而計算得出機械能損耗。轉(zhuǎn)速傳感器可以準確地測量油泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，進而計算得到油泵傳動系統(tǒng)的機械損耗。另外，我們還采用了壓力傳感器，用于測量油泵工作時的壓力情況，進一步評估機械能損耗。

在測量液動能損耗時，使用了流量計和壓力傳感器。流量計可以直接測量油液的流量，從而計算管道摩阻損耗，而壓力傳感器則可以測量油液在管道中的壓力情況，進一步評估局部阻力損耗。這些儀器的準確性和穩(wěn)定性可以保證我們獲得準確的液動能損耗數(shù)據(jù)。

在測量熱能損耗時，使用了紅外熱像儀和溫度傳感器。紅外熱像儀可以以非接觸的方式獲取油泵傳動系統(tǒng)中齒輪和軸承等部件的溫度分布情況，從而評估摩擦熱能損耗。溫度傳感器可以測量油液溫度變化，進一步評估泄漏熱能損耗。

在測量電能損耗時，使用了電能表。電能表可以準確測量油泵驅(qū)動設備（如電機）在工作過程中消耗的電能。

在測量冷卻能耗時，使用了冷卻系統(tǒng)和溫度傳感器。冷卻系統(tǒng)可以提供用于冷卻油泵或附件的冷卻介質(zhì)，溫度傳感器可以測量冷卻介質(zhì)的溫度變化，評估冷卻能耗。

2.2 能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和分析方法

為了保證數(shù)據(jù)的準確性和一致性，我們采用了標準的數(shù)據(jù)采集設備，并嚴格按照規(guī)定的采樣頻率進行數(shù)據(jù)收集。在數(shù)據(jù)預處理階段，我們對原始數(shù)據(jù)進行了清洗，剔除了異常值和缺失值，并對數(shù)據(jù)進行了歸一化處理。隨后，我們對收集到的數(shù)據(jù)進行了描述性統(tǒng)計分析，主要包括計算各能耗組成的均值、中位數(shù)、方差、標準差。緊接著我們進行了相關性分析，使用計算皮爾遜相關系數(shù)、斯皮爾曼相關系數(shù)等，我們得到各能耗組成之間的相關性矩陣。為了進一步挖掘能耗數(shù)據(jù)中的潛在規(guī)律，我們采用了聚類分析方法。通過K-means聚類算法，我們將相似的能耗數(shù)據(jù)分組在一起，從而得到不同能耗組成之間的聚類結(jié)果。根據(jù)上述統(tǒng)計分析結(jié)果，我們采用了貢獻分析方法，定量分析了各能耗組成對總能耗的貢獻程度。通過計算各能耗組成的占比，我們可以得到機械能損耗、液動能損耗、熱能損耗、電能損耗和冷卻能耗等對總能耗的貢獻大小。

3 抽油機節(jié)能降耗技術措施及原理

3.1 動力系統(tǒng)節(jié)能技術

3.1.1 高效電機的應用

高效電機核心原理是通過減少電流損耗和機械轉(zhuǎn)換損耗，在電機的設計上，采用高效的電磁設計和銅質(zhì)轉(zhuǎn)子，以降低電阻和銅損耗。此外，利用高級磁質(zhì)材料和優(yōu)化的磁路設計，可大幅提升電機的磁路傳導性能，減少磁場損耗。電機的制造過程也對其能效有著直接的影響，采用精密的加工工藝和高質(zhì)量的材料，可有效降低摩擦損耗和機械噪聲，提高電機的運行效率。除了電機本身的設計和制造，高效電機的應用還需要配合其他節(jié)能技術手段。例如，在抽油機的控制系統(tǒng)中，應用先進的變頻調(diào)速技術和感應電機高效控制算法，以實現(xiàn)電機的優(yōu)化運行和電能調(diào)節(jié)。此外，結(jié)合智能化監(jiān)測和診斷技術，對電機的運行狀態(tài)和負載變化進行實時監(jiān)測和分析，可以及時調(diào)整運行參數(shù)，實現(xiàn)高效能耗管理。

3.1.2 變頻調(diào)速技術在抽油機中的應用

針對抽油機負載的變化，變頻調(diào)速技術能夠?qū)崿F(xiàn)電機的自動調(diào)整，使其始終工作在最佳效率點。在抽油機運行過程中，負載會隨著油井產(chǎn)量的變化而波動，采用變頻調(diào)速技術可以根據(jù)負載大小自動調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，避免電機過載或欠載運行，從而提高能源利用率。變頻調(diào)速技術可以實現(xiàn)抽油機的軟啟動，降低啟動電流，減少對電網(wǎng)的沖擊。在抽油機啟動過程中，采用變頻調(diào)速技術可以避免傳統(tǒng)電機啟動時產(chǎn)生的大電流沖擊，降低對電網(wǎng)的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過對抽油機電機轉(zhuǎn)速的實時調(diào)整，變頻調(diào)速技術可以有效降低抽油機的能耗。在抽油機運行過程中，根據(jù)油井產(chǎn)量和泵的工作狀態(tài)，變頻調(diào)速技術可以自動調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，使泵的排量與油井需求相匹配，避免能量浪費。變頻調(diào)速技術還可以與智能監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)抽油機的遠程監(jiān)控和故障診斷。通過實時監(jiān)測抽油機的運行參數(shù)，智能監(jiān)控系統(tǒng)可以對抽油機的運行狀態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)異常情況及時進行處理，保障抽油機的穩(wěn)定運行。

3.2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)節(jié)能技術

3.2.1 材料選擇和優(yōu)化設計

在游梁式抽油機的工作中，可以采用具有較高強度和耐磨性能的材質(zhì)制作游梁、曲柄等關鍵部件，以確保其長期穩(wěn)定運行。還可以選用高效、低能耗的電機和變頻器，以降低系統(tǒng)整體的能源消耗。在優(yōu)化設計方面，應運用專業(yè)知識和技能，對抽油機的結(jié)構(gòu)、性能、工作原理進行深入研究，以提高設備運行效率。例如，可以采用機電一體化技術和電子信息工程技術，對抽油機進行智能控制和監(jiān)測，實現(xiàn)遠程診斷和自動調(diào)節(jié)，從而降低能耗。同時，探討采用新型傳動方式，如行星齒輪傳動、液力傳動等，以提高傳動效率和減少能源損耗。

3.2.2 潤滑和密封技術的改進

可以采用高效潤滑劑，如高溫潤滑脆固體潤滑劑，以減少潤滑劑的使用量，并提高潤滑效果。該潤滑劑具有較低的摩擦系數(shù)和較好的耐高溫性能，能夠減少摩擦帶來的能量損耗。此外，采用滲透性潤滑油脂，如聚四氟乙烯（PTFE）潤滑油脂，可以改善油膜的質(zhì)量并減少摩擦，從而減小能耗。在密封技術方面，可以采用高效密封材料，如聚四氟乙烯（PTFE）和氟橡膠密封件，以降低泄漏量和阻尼損失。PTFE具有優(yōu)異的耐化學性和耐高溫性能，能夠有效阻隔油氣泄漏，減少能量損耗。氟橡膠密封件具有良好的彈性恢復性和耐油性，能夠保持較好的密封效果，并減少能量損失。加強密封部位的精度控制，包括密封面的平整度和尺寸精度，確保密封效果的最大化。此外，還需要改進抽油機的潤滑和密封系統(tǒng)的設計。潤滑系統(tǒng)可以采用循環(huán)潤滑系統(tǒng)，加強潤滑油的供給和回收，減少浪費和能耗。同時，采用主動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對潤滑油膜的動態(tài)調(diào)節(jié)，以適應不同工況的需求，進一步提高潤滑效率和節(jié)能效果。密封系統(tǒng)方面，可引入高精度密封設計和加強密封部件的維護保養(yǎng)，確保密封性能的持久穩(wěn)定，減少能量損耗。

3.2.3 降低摩擦和磨損的技術手段

通過表面改性技術，如涂覆和鍍層，可以提高受摩擦力作用的部件表面的硬度和耐磨性。例如，采用涂覆技術，如物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD），可在摩擦表面形成具有高硬度和低摩擦系數(shù)的涂層，如鉬二硫化物（MoS2）和金剛石膜。這些涂層可以減少接觸表面之間的直接接觸，減小磨損和摩擦。還可以使用傳統(tǒng)的潤滑油脂，這些可以通過添加摩擦劑和抗磨劑來改善其潤滑性能。例如，添加石墨或二硫化鉬等固體潤滑添加劑，可以形成潤滑膜減小金屬表面之間的接觸，降低磨損。此外，采用潤滑油的黏度調(diào)控技術，如多級黏度油和降低黏度指數(shù)的潤滑油，可在高溫和高速工作條件下提供更好的潤滑性能，減少摩擦和磨損。還可利用摩擦學和磨損學理論，通過設計和優(yōu)化抽油機的機械結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，來降低摩擦和磨損?？梢酝ㄟ^減小接觸壓力、降低相對運動速度和減小局部振動等手段，可以減少摩擦損失和磨損。從零件的本身來考慮，可以采用精密制造工藝和高精度加工技術，可提高部件表面的光滑度和精度，降低摩擦和磨損的發(fā)生。

3.3 運行管理節(jié)能技術

在運行管理節(jié)能技術方面，優(yōu)化運行和調(diào)整工藝的關鍵在于提高設備的能源利用效率、降低能耗、減少能源浪費等方面進行改進。首先，可以采用先進的自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對抽油機的自動化運行管理。通過采集并分析抽油機運行數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測和調(diào)整設備的工作狀態(tài)，提高設備的運行效率。采用先進的儀表和傳感器技術，實現(xiàn)抽油機的在線監(jiān)測和自動控制，能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理設備的異常情況，有效避免能源的浪費。其次，可以針對抽油機的工藝過程進行優(yōu)化調(diào)整，減少能源的消耗。通過分析生產(chǎn)過程中的能源損失點，采取相應的技術措施進行改進。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對抽油機的能耗分析，詳細探討了動力系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和運行管理3個方面的節(jié)能技術措施。實驗和仿真分析結(jié)果表明，這些技術在降低抽油機能耗方面發(fā)揮了積極的作用。然而，仍然存在一些待解決的問題和亟待改進的技術挑戰(zhàn)。因此，在以后的研究中，我們應進一步深入探究節(jié)能降耗技術的應用效果，持續(xù)改進和創(chuàng)新技術手段，并與現(xiàn)有油田開采工藝相結(jié)合，以實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的油田開采。這將為石油行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出積極貢獻。