新型游梁式抽油機節(jié)能裝置的研究

蘇會林 戴明宏

摘 要：針對游梁式抽油機電能能耗大和反向發(fā)電干擾電網(wǎng)品質(zhì)問題，研制新型節(jié)能裝置，對常規(guī)游梁式抽油機進(jìn)行改造。本節(jié)能裝置采用機、電、液一體化技術(shù)，分別從電機節(jié)能、平衡塊機械能回收與釋放兩個方面來解決游梁式抽油機的節(jié)能問題，不但從理論上論證了新型游梁式抽油機節(jié)能裝置的可行性，而且有較為完整的節(jié)能裝置設(shè)計方案，具有很好的推廣和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：抽油機；節(jié)能；自發(fā)電；液壓儲能；矢量變頻

Abstract：To solve the problem of huge energy comsuption of beam pumping unit and grid quality disturb of reverse power，we transformed the ordinary beam pumping unit and developed new energy-saving equipment，which uses mechanical-electrical-hydraulic integration technology，and solves the energy-saving problem of the beam pumping unit from two aspects of motor energy-saving and counterbalance mechanical energy recycling and releasing.This paper theoretically demonstrates the feasibility of a new beam pumping unit energy-saving devices，and also propose a complete energy-saving device design，which enjoys high promotion and application value.

Key words：pumping unit；energy-saving；spontaneous electric； hydraulic energy； vector frequency conversion

1 研究背景[1，2，3，4，5，6]

在油田開發(fā)過程中，采油的方式基本上分為兩大類：一類是依靠藏油本身的能量使原油噴到地面，叫做自噴采油；另一類是借助外界能量將原油采到地面，叫做機械采油。目前我國大多數(shù)油田采用后者進(jìn)行采油，并且主要利用游梁式抽油機進(jìn)行采油，這種采油的油井占油田油井總數(shù)的90%以上，而目前所用的抽油機不僅總體效率偏低，能耗大，并且有反向發(fā)電問題，干擾電網(wǎng)品質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計，游梁式抽油機的總體效率僅為30%～50%，因此，如果提高抽油機總體系統(tǒng)效率，就可以節(jié)約大量能源，實現(xiàn)低碳生產(chǎn)的目的，節(jié)能成為抽油機系統(tǒng)需要重點解決的問題之一。

2 新型節(jié)能技術(shù)方案的研究

目前，抽油機采用的主要節(jié)能方案有間抽控制器（POC）、軟起動及調(diào)壓節(jié)能型、無功就地補償節(jié)能型等，無論采取那種節(jié)能方法都不能解決抽油機驢頭（平衡塊）不平衡下行引起的能量損耗及自發(fā)電引起的電網(wǎng)品質(zhì)下降問題。[6，7，8，9，10，11]通過對現(xiàn)有節(jié)能方法的比較和對游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)特點及抽油機運行能耗分析，提出了游梁式抽油機新型節(jié)能方案，該方案利用機械技術(shù)、變頻技術(shù)和液壓儲能技術(shù)三個方面綜合解決游梁式抽油機的能量損失，大大提高抽油機的能量利用率。

新型游梁式抽油機節(jié)能裝置設(shè)計示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)的核心模塊有三個部分組成，即機械減速裝置、儲能釋能裝置和電氣控制裝置。各模塊的主要功能和特點如下：

2.1 電氣控制裝置的功能和特點[9，10，11]

①采用矢量變頻裝置，提高供電電機的的有功功率，可以使得電機的效率提高到98%，并且矢量變頻還可以提高電機的啟動轉(zhuǎn)矩，從而可使用較小功率的電機（18-24KW），解決無功功率損耗及大拉小車的問題；

②可以實現(xiàn)無級變速，從而可以根據(jù)油田油量的多少方便地改變采油沖次，獲得最為合理的采油沖次，解決抽油機在采油過程中出現(xiàn)的空抽問題；并且因為不用在改變帶傳動的傳動比，也不用在經(jīng)常更換帶輪，解決了帶輪的加工與更換問題；

③進(jìn)行位置、溫度等控制，控制機械能的合理回收與釋放；

④對各種參數(shù)進(jìn)行顯示，部分參數(shù)在線修改，解決操作的方便性問題；

⑤該模塊可節(jié)能25-35%。

2.2 機械能儲能與釋放裝置的功能和特點

①能夠?qū)Χ嘤嗟臋C械能進(jìn)行回收，消除抽油機的反向發(fā)電；

②在抽油機采油時釋放回收的能量；

③使得抽油機工作平穩(wěn)，交變應(yīng)力減小，提高采油機內(nèi)部工作零件的使用壽命；

④該模塊可節(jié)能20-25%。

2.3 機械減速裝置的功能和特點

①減速增扭；

②是機械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ芎鸵簤耗苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

③該模塊耗能5%左右；

綜合各模塊功能以上，該裝置綜合節(jié)能應(yīng)在40-50%。

3 新型游梁式抽油機節(jié)能裝置核心模塊設(shè)計

以普遍使用的CYJY14-4.8-73HF型抽油機進(jìn)行節(jié)能設(shè)計。

3.1 電動機選擇

按每分鐘5沖次進(jìn)行功率計算。

抽油機減速器最大輸入功率要求為：P=（73000*5）/（9550*0.994）=39.79Kw

一級減速器最大輸出功率為：P1=P/0.96=41.44Kw

一級減速器最大輸入軸功率：P0=P1/（0.99）=42.29kw

CYJY14-4.8-73HF型抽油機使用的原電機為45Kw，根據(jù)現(xiàn)場實測，其實際負(fù)載功率不到50%，且其瞬時最大功率為42.29Kw，故決定重新選擇電機。因為采用電機矢量變頻控制技術(shù)，電機的啟動扭矩增大，故選用18～24Kw的電機既可。

這里選擇YVP180M-2變頻電動機，其效率高、調(diào)速范圍廣。選用功率較小的電機，會造成電機啟動時過載，而變頻電機抗過載能力較強，允許在1min內(nèi)過載2-3倍，這樣抽油機的啟動不會對電機造成損壞，1min后，電機運行不再過載。

3.2 機械能儲能與釋放裝置設(shè)計[12]

機械能儲能與釋放裝置主要解決的是四連桿機構(gòu)上面的平衡塊儲存的過多的勢能，其設(shè)計內(nèi)容主要包括儲能器的選型、泵——馬達(dá)的選型以及液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計。

3.2.1儲能裝置選擇

液壓蓄能器有多種類型，這里采用氣囊式液壓蓄能器。

3.2.1.1儲能器所需液體量

綜合（3）（4），低壓蓄能器取25L蓄能器即可，所選型號NXQ-25F；高壓蓄能器取40L蓄能器，所選型號NXQ-40F數(shù)量；公稱壓力10MPa。該蓄能器的特點：

NXQ—蓄能器內(nèi)腔由皮囊分為兩個部分：囊內(nèi)裝氮氣，囊外充液壓油。當(dāng)液壓泵將液壓油壓入蓄能器時，皮囊就受壓變形，氣體體積隨壓力增加而減少，液壓油被逐漸儲存。若液壓系統(tǒng)工作需要液壓油，則蓄能器將液壓油排出，使系統(tǒng)的能量得到補償。

3.2.2泵——馬達(dá)的選擇

泵——馬達(dá)要求既能在平衡塊下沖時作為泵使用，又要求能夠在平衡塊上沖時作為馬達(dá)使用。

根據(jù) v=qn=1.51740/60=0.12243L/r

故選用型號為A2F125的泵/馬達(dá)。

A2F125的泵/馬達(dá)的特點：

1）彎軸結(jié)構(gòu)的軸向柱塞元件，具有固定排量，在開式或閉式回路中用作靜液傳動的泵或馬達(dá)。

2）當(dāng)作為泵工作時，流量與驅(qū)動轉(zhuǎn)速和排量成正比。

3）當(dāng)作為馬達(dá)工作時，輸出轉(zhuǎn)速與流量成正比而排量成反比。輸出扭矩隨高壓與低壓側(cè)之間的壓差而加大。

3.2.3液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)平衡塊下沖時，A2F125的泵/馬達(dá)作為泵進(jìn)行工作，這個階段，泵從低壓儲能器抽油，并將其泵到高壓儲能器儲存液壓能，實現(xiàn)多余能量的收集；當(dāng)高壓儲能器壓力高于10MPa時，溢流閥打開，將高壓油直接引入低壓儲能器。當(dāng)平衡塊上沖時，A2F125的泵/馬達(dá)作為馬達(dá)進(jìn)行工作，這個階段，高壓儲能器儲存的高壓油通過馬達(dá)進(jìn)入低壓儲能器，從而實現(xiàn)能量的釋放。其液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

3.2.4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計[13，14]

電氣控制系統(tǒng)是整個節(jié)能裝置的核心之一，該系統(tǒng)設(shè)計的是否可靠直接決定了整個節(jié)能裝置的性能及節(jié)能的成敗。其控制要求如下：

①要求電機的能夠進(jìn)行無級調(diào)速，以實現(xiàn)間抽，這樣既能夠滿足抽油效率的最大化，達(dá)到類似于利用間抽控制器進(jìn)行節(jié)能控制的要求，又能夠減少帶輪的設(shè)計、制造與安裝調(diào)試，間接地提高了抽油的時間。

②要求對儲能裝置進(jìn)行控制，控制其儲能、釋能。

③控制系統(tǒng)盡量簡單、便于操作。

根據(jù)控制要求，決定采用PLC作為控制裝置的主控計算機；采用成熟矢量變頻器來控制電機，即可以提高電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，解決異步電機啟動困難的問題，又可以實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，其PLC變頻控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

PLC的接線圖見圖4。圖中，PLC沒有直接采用數(shù)字量輸出端子去控制變頻器，而是采用由PLC控制中間繼電器，再由中間繼電器KA1、KA2去控制變頻器，從而減少兩種電氣設(shè)備之間的干擾。

4 結(jié)語

只需將現(xiàn)有游梁式抽油機作簡單的改造，就可方便地將新型抽油機節(jié)能裝置安裝上去，制作、維護(hù)方便，可應(yīng)用到各類現(xiàn)有游梁式抽油機上。在新型抽油機節(jié)能裝置的設(shè)計中，盡量選用了標(biāo)準(zhǔn)件，因此制造方便，便于批量生產(chǎn)。

新型游梁式抽油機節(jié)能裝置是一個先進(jìn)的機電一體化產(chǎn)品，采用該設(shè)備，可有效地提高采油率、避免自發(fā)電現(xiàn)象，改善電網(wǎng)品質(zhì)、降低功耗，其理論節(jié)能效果可達(dá)40%以上；同時，使用該裝置可根據(jù)油田的儲油情況，方便地改變抽油機的沖次，減少帶輪等零件的設(shè)計、制造與安裝時間，減輕操作人員的勞動強度。

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作者簡介：蘇會林（1972-），男，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，碩士，助教。