低碳節(jié)能抽油機(jī)研究

魏航信 周瑩

摘 ?要：為了解決常規(guī)游梁式抽油機(jī)能耗大的問題，該文設(shè)計(jì)了一種新型的綠色低碳節(jié)能抽油機(jī)。采用太陽能及風(fēng)能為抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)提供電能，徹底取消了市電供電。主要論述了抽油機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，包括控制系統(tǒng)和游梁平衡系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要由太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、適配器、穩(wěn)壓部分、逆變器等組成。最后論述了新型抽油機(jī)的主要設(shè)計(jì)步驟。通過該文的研究，希望可以為油田采油的節(jié)能降耗及綠色生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī);節(jié)能;太陽能;風(fēng)能

中圖分類號(hào)：TE938 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)的種類有200多種，包括游梁式抽油機(jī)、凸輪抽油機(jī)、鏈條抽油機(jī)、皮帶抽油機(jī)、塔架式抽油機(jī)、用于叢式井的曲柄滑塊一機(jī)多抽抽油機(jī)等。但由于大多數(shù)抽油機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)的可靠性、使用壽命等方面存在問題，目前油田90%仍是游梁式抽油機(jī)。但游梁式抽油機(jī)能耗大，其耗電量占總采油設(shè)備耗電量的70%以上。因此如何減小游梁式抽油機(jī)的能耗，是目前研究的熱點(diǎn)問題。

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，為抽油機(jī)節(jié)能降耗提供了一個(gè)新思路。采用太陽能、風(fēng)能發(fā)電為抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)提供電力，可以徹底解決抽油機(jī)消耗電能的問題。抽油機(jī)地處野外，大多數(shù)情況下有充足的光照或者強(qiáng)度足夠的風(fēng)力，可以采用這些清潔能源為抽油機(jī)供電。因此設(shè)計(jì)新型的綠色低碳節(jié)能抽油機(jī)，具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

1 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

新型綠色低碳節(jié)能抽油機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其機(jī)體主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)和常規(guī)游梁式抽油機(jī)類似。首先主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過帶傳動(dòng)、減速器傳動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)的單向轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到減速器輸出軸單向轉(zhuǎn)動(dòng)。減速器輸出軸帶動(dòng)曲柄單向轉(zhuǎn)動(dòng)，由曲柄、連桿、游梁和機(jī)架組成四桿機(jī)構(gòu)，在曲柄的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)游梁的往復(fù)上下擺動(dòng)，并帶動(dòng)驢頭往復(fù)上下擺動(dòng)，驢頭通過鋼絲繩與懸點(diǎn)相連，因此懸點(diǎn)亦上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在圖1中可以看到有2個(gè)平衡塊，曲柄平衡塊和游梁平衡塊，因此其屬于復(fù)合平衡型抽油機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是平衡效果好，抽油機(jī)節(jié)能效果好。

這種綠色低碳節(jié)能抽油機(jī)與常規(guī)抽油機(jī)的主要區(qū)別在于抽油機(jī)主電機(jī)的供電系統(tǒng)不是采用常規(guī)的380 V市電供電，而是采用太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，因此可以實(shí)現(xiàn)不消耗市電電能，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的節(jié)能降耗。另外，這種新型抽油機(jī)的游梁平衡塊采用智能移動(dòng)方式，通過游梁平衡電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，可以根據(jù)油井工況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)自身位置，從而可實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的最佳平衡狀態(tài)。

由于抽油機(jī)主電動(dòng)機(jī)所需要的供電電壓為380 V交流電壓，而太陽能電池板或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓為不穩(wěn)定的直流電壓，因此需要采用合理的控制系統(tǒng)，將不穩(wěn)定的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的交流電壓，為抽油機(jī)主電動(dòng)機(jī)供電，如1.1節(jié)所述。

1.1 抽油機(jī)控制系統(tǒng)

抽油機(jī)控制系統(tǒng)的作用主要有3個(gè)：一是穩(wěn)定電壓，由于太陽光照強(qiáng)弱不同或者風(fēng)力強(qiáng)度不同，太陽能電池板及風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓不穩(wěn)定，因此需要穩(wěn)壓。二是升壓作用，將穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)變成抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)所需要的380 V交流電壓，以保證電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。三是儲(chǔ)能作用，當(dāng)太陽光比較強(qiáng)或者風(fēng)力較大時(shí)，將多余的電能存儲(chǔ)起來，在夜間沒有陽光或者無風(fēng)時(shí)，可將存儲(chǔ)的電能利用起來，為抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的不間斷作業(yè)，提高抽油機(jī)運(yùn)行的可靠性。因此抽油機(jī)控制系統(tǒng)主要包括穩(wěn)壓系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)及升壓系統(tǒng)。

穩(wěn)壓系統(tǒng)主要包括太陽能電池板適配器（或者叫控制器）和風(fēng)力發(fā)電機(jī)適配器，其基本原理與穩(wěn)壓電源類似，當(dāng)光照強(qiáng)度較弱時(shí)，適配器輸入電壓減小，其減壓比減小;當(dāng)光照強(qiáng)度增大時(shí)，適配器輸入電壓升高，其減壓比增大，因此可以維持輸出電壓穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)適配器的基本原理與上述過程類似，其輸出電壓可以穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由蓄電池組件及充電器組成。由穩(wěn)壓系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的電壓，為充電器供電，充電器將其電流、電壓轉(zhuǎn)換為蓄電池所需要的電平信號(hào)，為蓄電池充電。

升壓系統(tǒng)主要由逆變器組成，其基本原理是將穩(wěn)壓系統(tǒng)輸入的穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，然后進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，輸出380V交流電壓信號(hào)，為抽油機(jī)主電動(dòng)機(jī)供電。

1.2 抽油機(jī)自動(dòng)平衡控制系統(tǒng)

為了充分利用新型綠色低碳抽油機(jī)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了抽油機(jī)自動(dòng)平衡控制系統(tǒng)。主要由游梁平衡塊、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)組成。如圖1所示。當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，抽油機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的直流電壓為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾珠絲杠系統(tǒng)帶動(dòng)游梁平衡塊左右移動(dòng)，當(dāng)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷過大時(shí)，通過控制器發(fā)出指令，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，游梁平衡塊沿著游梁向外運(yùn)動(dòng)，平衡力臂增加，抵消部分懸點(diǎn)載荷，因此獲得良好的平衡效果，抽油機(jī)主電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電流減小，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的節(jié)能降耗。

由于抽油機(jī)控制器采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制算法，因此可以良好地控制抽油機(jī)主電動(dòng)機(jī)、游梁平衡電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使二者協(xié)調(diào)工作，提高抽油機(jī)的平衡效果，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的徹底節(jié)能，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保節(jié)能生產(chǎn)。

2 抽油機(jī)的設(shè)計(jì)步驟

綠色低碳節(jié)能抽油機(jī)是在常規(guī)游梁式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型抽油機(jī)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)原理與游梁式抽油機(jī)類似，因此抽油機(jī)機(jī)架、帶傳動(dòng)系統(tǒng)、減速器、曲柄、曲柄銷、曲柄平衡重、連桿、游梁、驢頭等主要部件的設(shè)計(jì)方法與游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)方法相同。

抽油機(jī)控制系統(tǒng)需要對(duì)太陽能電池板功率、風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率、控制系統(tǒng)各個(gè)元器件的型號(hào)等方面進(jìn)行選擇。首先，根據(jù)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的大小，計(jì)算抽油機(jī)主電動(dòng)機(jī)所需的功率及額定扭矩，然后根據(jù)主電動(dòng)機(jī)的功率，選擇太陽能電池板以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率?？紤]到能量損失以及抽油機(jī)游梁平衡電機(jī)的供電需求，需適當(dāng)增大太陽能電池板及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率。對(duì)于控制系統(tǒng)其他元器件的選型，太陽能電池板適配器及風(fēng)力發(fā)電機(jī)適配器，需要根據(jù)太陽能電池板及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作特性進(jìn)行選擇。蓄電池的容量大小需要根據(jù)主電動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行選擇。蓄電池充電器的選型需要根據(jù)蓄電池容量及電壓進(jìn)行選擇?？刂破饕话銥閱纹瑱C(jī)或者PLC控制器，其現(xiàn)場(chǎng)使用效果較好，可靠性高，結(jié)實(shí)耐用。

設(shè)計(jì)游梁平衡系統(tǒng)時(shí)，主要內(nèi)容包括確定步進(jìn)電機(jī)型號(hào)、滾珠絲杠幾何尺寸及其型號(hào)、游梁平衡塊重量等參數(shù)。對(duì)于游梁平衡塊重量的大小，可根據(jù)相應(yīng)規(guī)格的復(fù)合平衡游梁式抽油機(jī)進(jìn)行選擇，國(guó)家頒布的抽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中，列出了不同型號(hào)游梁式抽油機(jī)所需的平衡塊參數(shù)。平衡塊的重量確定后，再確定滾珠絲杠的公稱直徑及長(zhǎng)度，并計(jì)算滾珠絲杠剛度、所需的驅(qū)動(dòng)扭矩等參數(shù)。滾珠絲杠剛度的校核主要依據(jù)平衡塊的重量。滾珠絲杠的長(zhǎng)度主要由平衡塊需要移動(dòng)的行程確定。最后，根據(jù)游梁平衡塊的重量、滾珠絲杠的參數(shù)可計(jì)算出游梁平衡步進(jìn)電機(jī)所需要的輸出力矩及轉(zhuǎn)速大小，然后以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)大小及型號(hào)。

3 結(jié)語

由于目前原油價(jià)格下跌，需要進(jìn)一步降低采油成本，有必要對(duì)耗電量很高的抽油機(jī)采取節(jié)能降耗措施。因此該文設(shè)計(jì)了新型的綠色低碳節(jié)能抽油機(jī)，主要通過采用太陽能和風(fēng)能為抽油機(jī)供電，可以實(shí)現(xiàn)真正意義的節(jié)能。文中首先論述了抽油機(jī)的總體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及游梁平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后論述了抽油機(jī)的設(shè)計(jì)步驟。希望通過該文的研究，可以為油田生產(chǎn)提供有力支持。

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