游梁式抽油機(jī)取消減速裝置效率分析及效果預(yù)測(cè)

劉宏宇 趙霞

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

抽油機(jī)主要有兩大類(lèi)，即游梁式抽油機(jī)和長(zhǎng)沖程游梁式抽油機(jī)。其中，游梁式抽油機(jī)占抽油機(jī)應(yīng)用總數(shù)的95%以上，在油田生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。抽油機(jī)井的能耗與抽油機(jī)整體的工作效率直接相關(guān)，而在油田中應(yīng)用數(shù)量最多的游梁式抽油機(jī)，其主要問(wèn)題就是地面設(shè)備整體工作效率不高。如果能夠?qū)Τ橛蜋C(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將會(huì)提高抽油機(jī)整體工作效率。

游梁式抽油機(jī)包括下述四大部分[1]，各部分的主要功能如下：

動(dòng)力部分。為抽油機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力，通常由電動(dòng)機(jī)和控制箱組成。

動(dòng)力傳遞部分。將電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由皮帶、減速箱等組成。

運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換部分。將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)[2]，是由減速箱輸出軸至游梁中軸連線、曲柄、連桿、游梁組成的四連桿機(jī)構(gòu)。

輔助部分。保證抽油機(jī)正常平穩(wěn)地啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，保護(hù)操作人員和維修人員安全[3]，由基礎(chǔ)、底座、驢頭、三角架、剎車(chē)、平衡塊等組成。

1 工作效率分析

1.1 電動(dòng)機(jī)、皮帶、減速箱的工作效率[4]

電動(dòng)機(jī)是抽油機(jī)工作的動(dòng)力源，95%以上的抽油機(jī)使用Y系列電動(dòng)機(jī)，普通Y系列電動(dòng)機(jī)額定狀態(tài)下的工作效率在87%～91%之間，最高不超過(guò)91%；超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)額定工作效率在82%～87%之間，不超過(guò)87%。2013 年完成了上述兩種電動(dòng)機(jī)共計(jì)1 200 口井的功率曲線測(cè)試，并計(jì)算了電動(dòng)機(jī)的平均工作效率，電動(dòng)機(jī)工作效率在60%～80%之間，平均工作效率為67%。

皮帶是抽油機(jī)工作的第一個(gè)減速裝置，它的工作效率與皮帶的包角有關(guān)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)皮帶包角155°左右時(shí)傳動(dòng)效率最高，帶傳動(dòng)工作效率在88%～92%之間。

減速箱是抽油機(jī)的第二個(gè)減速裝置，通常采用三軸兩級(jí)傳動(dòng)。在稀油潤(rùn)滑條件下，圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承的效率一般為0.98，圓弧齒輪的嚙合效率在0.99～0.995 之間。二級(jí)傳動(dòng)減速器的效率為三組軸承的工作效率和兩級(jí)齒輪的嚙合效率為0.922～0.932。

1.2 電動(dòng)機(jī)至減速箱輸出軸工作效率

在額定載荷條件下，抽油機(jī)整體工作效率將會(huì)達(dá)到峰值，將各節(jié)點(diǎn)的工作效率取峰值，即電動(dòng)機(jī)額定工作效率取91%；皮帶傳動(dòng)工作效率取92%；減速箱工作效率取93.2%。額定工作效率為78.02%。

在工作狀態(tài)下，由于電動(dòng)機(jī)的工作效率較低，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)至減速箱輸出軸的效率大幅度降低。根據(jù)2013 年測(cè)試計(jì)算結(jié)果，電動(dòng)機(jī)的效率只有67%左右，其他部分的效率不變，電動(dòng)機(jī)至減速箱輸出軸工作效率為57.45%。

由上述效率分析和計(jì)算可知，在額定載荷條件下，抽油機(jī)整體工作效率的峰值為78.02%；而在平均載荷條件下，抽油機(jī)整體平均工作效率為57.45%。通常情況下，抽油機(jī)的工作效率是不會(huì)達(dá)到峰值的，應(yīng)該保持在平均工作效率附近[5]。

2 游梁式抽油機(jī)簡(jiǎn)化

2.1 簡(jiǎn)化思路

對(duì)于游梁式抽油機(jī)，動(dòng)力部分是其能量提供單元，不可省略。而四連桿機(jī)構(gòu)是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的裝置，也不可省略，因而只能從減速傳動(dòng)部分考慮簡(jiǎn)化。思路是將皮帶傳動(dòng)部分和減速箱傳動(dòng)部分全部省略，由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)曲柄帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)。

2.2 實(shí)施條件

由于游梁式抽油機(jī)的沖速一般不高于9 min-1，因而需要電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速足夠得低，應(yīng)該在12 min-1，同時(shí)配合應(yīng)用伺服控制系統(tǒng)，方可滿(mǎn)足工作需要。應(yīng)用普通Y系列電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)極數(shù)達(dá)到500 極，條件不具備。但由于目前開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)已趨成熟，該技術(shù)我國(guó)20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始研究，到21 世紀(jì)10 年代，已形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并在紡織、交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異；且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高效率，可達(dá)到92%，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)。該電動(dòng)機(jī)使得抽油機(jī)簡(jiǎn)化成為可能。

另外，要求電動(dòng)機(jī)進(jìn)行特殊加工，即將電動(dòng)機(jī)輸出軸加工成為長(zhǎng)軸，而且兩端輸出，與曲柄軸相配合。同時(shí)應(yīng)考慮低速狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)散熱，方案有二：電動(dòng)機(jī)軸增加機(jī)械增速裝置，形成兩端強(qiáng)排風(fēng)散熱；采用油浸致冷。前者增加成本不會(huì)太多，而后者增加成本較大，但散熱效果更好。

2.3 效果預(yù)測(cè)

簡(jiǎn)化后的抽油機(jī)由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)曲柄，傳動(dòng)部分只有電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)至曲柄軸的工作效率等于電動(dòng)機(jī)的工作效率，效率可達(dá)92%。

與簡(jiǎn)化前抽油機(jī)額定工作效率對(duì)比，工作效率將提高13.98 個(gè)百分點(diǎn)，即簡(jiǎn)化前后不改變電動(dòng)機(jī)額定功率條件下，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能15.20%。

與簡(jiǎn)化前的平均效率對(duì)比，預(yù)計(jì)提高效率34.55%左右，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能37.56%[6-7]。

根據(jù)2.2 章節(jié)中的分析，節(jié)能效果應(yīng)按平均效率計(jì)算。根據(jù)某廠平均泵徑為φ70 mm 標(biāo)準(zhǔn)配備的CYJ10-3-53HB 抽油機(jī)，按其平均能耗水平（平均有功功率按14.88 kW 計(jì)算），可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電（每年抽油機(jī)工作350 天計(jì)算）4.68×104kWh。

3 結(jié)論

1）游梁式抽油機(jī)取消減速部分是游梁式抽油機(jī)簡(jiǎn)化的極限。

2）取消減速部分，同時(shí)使用目前最為先進(jìn)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的工作效率即可代表原抽油機(jī)減速部分的工作效率，預(yù)計(jì)可達(dá)到92%。

3）減速部分取消后，電動(dòng)機(jī)及減速部分的額定工作效率可提高13.98 個(gè)百分點(diǎn)，與簡(jiǎn)化前的平均效率對(duì)比，可提高效率34.55%左右。

4）按目前CYJ10-3-53HB 抽油機(jī)平均能耗水平，抽油機(jī)每年工作350 天計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電4.68×104kWh。