游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)分析

李明浩

（大慶油田裝備制造集團(tuán)采油裝備制造分公司抽油機(jī)總裝廠，黑龍江 大慶 163000）

抽油機(jī)是一種較為普遍的石油開采設(shè)備，俗稱“磕頭機(jī)”,通過加壓的辦法使石油出井。在所有抽油機(jī)種類中游梁式抽油機(jī)屬于一種重要類型，而且被廣泛應(yīng)用于石油開采工作中。但是，游梁式抽油機(jī)的耗電量相對較高，其用電量超過油田總用電量的40%，提高了石油的采油成本。為了能夠降低游梁式抽油機(jī)的能量損耗，有效減少能源浪費(fèi)，同時降低采油成本，采油企業(yè)需要對游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)石油行業(yè)的發(fā)展。

1 游梁式抽油機(jī)工作原理和設(shè)計思路

1.1 工作原理

雖然游梁式抽油機(jī)有多種類型，但是大部分的工作原理和結(jié)構(gòu)都是相似的。游梁式抽油機(jī)主要是由動力設(shè)備、減速裝置、機(jī)構(gòu)件部分和曲柄結(jié)構(gòu)等裝置共同組成的。其工作原理主要是通過電動機(jī)將動力傳遞給減速箱中的輸入軸，通過減速箱齒輪傳動，再由輸出軸帶動曲柄低速運(yùn)動。曲柄能夠帶動游梁后端實(shí)現(xiàn)上下擺動，驢頭安裝在游梁的前端，應(yīng)用懸繩器能夠?qū)⒊橛蜅U懸掛在驢頭上，將電機(jī)的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化成抽油桿直線往復(fù)運(yùn)動，對原油進(jìn)行開采。

1.2 設(shè)計思路

在抽油機(jī)市場中游梁式抽油機(jī)占據(jù)主導(dǎo)地位。三相異步電動機(jī)是油游梁式抽油機(jī)中的主要拖動裝置，三相異步電動機(jī)具有堅固、結(jié)構(gòu)簡單、維修較少、成本較低和，運(yùn)行可靠等諸多優(yōu)勢，而且也是游梁式抽油機(jī)當(dāng)中的重要裝置，被廣泛應(yīng)用于抽油機(jī)中。但是，目前由游梁式抽油機(jī)在實(shí)際工作過程中存在負(fù)荷匹配不合理的情況，很多電動機(jī)在運(yùn)行過程中處于輕載狀態(tài)，所以會造成嚴(yán)重的電能浪費(fèi)，整體工作效率相對較低。所以需要對游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高抽油機(jī)的節(jié)能水平。

在抽油機(jī)工作過程中，主要針對負(fù)載率進(jìn)行詳細(xì)分析，了解抽油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，提高電動機(jī)開啟過程中的功率，通過對電容器組進(jìn)行補(bǔ)償，能夠有效實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)電動機(jī)的無功補(bǔ)償，提高游梁式抽油機(jī)的節(jié)能水平。

2 節(jié)能控制裝置

2.1 軟啟動、調(diào)壓節(jié)能型控制裝置

這一節(jié)能裝置更加適合應(yīng)用荷載性能較大，同時負(fù)載性能較輕的抽油機(jī)中。這一裝置的工作原理主要是通過應(yīng)用調(diào)壓節(jié)能系統(tǒng)和軟啟動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的降壓節(jié)能。抽油機(jī)的功率檔次主要包括30kN、60kN、80kN和100kN 等，抽油機(jī)由淺入深地開展抽油工作，油井的產(chǎn)液量逐漸降低，使抽油機(jī)的負(fù)荷也隨之降低，抽油機(jī)的負(fù)載率通常都在20%～30%，最高可以達(dá)到50%，此時會出現(xiàn)荷載過低的情況。如果游梁式抽油機(jī)中的電動機(jī)一直處于輕載狀態(tài)，那么電動機(jī)的工作效率和工作因素都相對較低，但是如果對電動機(jī)定子電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與電動機(jī)的負(fù)載率相符合，能夠使電動機(jī)中的電流降低，從而有效減少電動機(jī)中的無功功率，也能夠減少不必要的能耗，從而使電動機(jī)的運(yùn)行效率得到提升，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

2.2 變頻節(jié)能調(diào)速裝置

這一裝置在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠使抽油泵的排量進(jìn)行有效控制和調(diào)節(jié)，使其與油井的滲透能力相符合，同時也能夠?qū)τ瘟菏匠橛蜋C(jī)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。變頻節(jié)能調(diào)速裝置最主要優(yōu)勢就是可以對抽油機(jī)經(jīng)進(jìn)行便捷調(diào)參。但是，如果進(jìn)行變頻改造工作，則無法對控制工作進(jìn)行優(yōu)化，不能對抽油機(jī)到發(fā)電的狀態(tài)進(jìn)行緩解和改善，也不能對沖擊電流問題進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 超高轉(zhuǎn)差率多速節(jié)能電動機(jī)拖動裝置

這一裝置的應(yīng)用最主要的目的就是對游梁式抽油機(jī)中拖動裝置安裝容量較大的問題進(jìn)行有效緩解。由于游梁式抽油機(jī)具有獨(dú)特的運(yùn)行需求，所以其中拖動裝置必須對最大允許掛重、最大沖次和最大沖程等要求進(jìn)行滿足，還需要設(shè)置數(shù)量充足的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，以此對抽油機(jī)啟動過程中的靜態(tài)不平衡問題進(jìn)行有效解決。這一裝置的特點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用過程中能夠有效降低抽油機(jī)懸浮點(diǎn)的最大負(fù)荷，抽油泵的上升速度相對降低，減小抽油桿的彈性形變情況，大幅度增加抽油泵的填充系數(shù)，提高吸液量，增加沖次油量，從而有效減少抽油機(jī)對電能的消耗。將這一裝置應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)中，具有一定的軟機(jī)械性能，能夠?qū)Τ橛蜋C(jī)中懸點(diǎn)負(fù)荷不均勻的情況進(jìn)行改善，也能夠有效降低抽油機(jī)在啟動過程中對傳動系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)件所造成的沖擊，能夠大幅度延長抽油機(jī)的使用壽命，也能夠節(jié)約設(shè)備的維修成本。

3 游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)

3.1 電動機(jī)節(jié)能

在游梁式抽油機(jī)中，電動機(jī)最主要的節(jié)能方法就是提高負(fù)荷率。具體方法主要包括以下幾方面：第一，通過人為的方法對電動機(jī)的機(jī)械性能進(jìn)行改變，首先電動機(jī)中符合性能的柔性配合，對電動機(jī)的電源頻率進(jìn)行優(yōu)化，以此來提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，使電動機(jī)實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。第二，在對電動機(jī)進(jìn)行設(shè)計過程中，改變電動機(jī)內(nèi)部的機(jī)械特性，使抽油機(jī)與電動機(jī)之間相互協(xié)調(diào)，共同工作，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。第三，在電動機(jī)運(yùn)行過程中提高電動機(jī)的功率因數(shù)和負(fù)荷率，以此對節(jié)能工作進(jìn)行優(yōu)化。目前常見的節(jié)能電機(jī)主要包括電磁調(diào)速電機(jī)、變頻調(diào)速電動機(jī)和超高傳差電動機(jī)等。這對超高轉(zhuǎn)差電動機(jī)進(jìn)行應(yīng)用過程中，應(yīng)該優(yōu)化和完善抽油機(jī)系統(tǒng)，以此盡可能地實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。經(jīng)過相關(guān)研究和實(shí)踐表明，將變幾何形狀抽油機(jī)和前置式抽油機(jī)與超高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)進(jìn)行有效融合，能夠提高節(jié)能效果。除此以外，節(jié)能電動機(jī)還包括雙功率電動機(jī)、電磁滑差電動機(jī)、繞線式異步電動機(jī)和稀土永磁同步電動機(jī)等，所以想要實(shí)現(xiàn)游梁式抽油機(jī)電動機(jī)節(jié)能，是一項極其困難且復(fù)雜的工作，在對方案進(jìn)行選擇過程中，需要從多方面進(jìn)行綜合考慮，包括成本的投入、電動機(jī)的效率和系統(tǒng)的實(shí)際情況等。

（1）超高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)。我國在20 世紀(jì)80 年代開始對這一類型電動機(jī)進(jìn)行研究。機(jī)械特性軟是這種電動機(jī)最主要的特點(diǎn)，如果遇到換向沖擊荷載，能夠使轉(zhuǎn)速下降，同時通過曲柄慣性的作用，使電動機(jī)和減速器逐漸平緩，對抽油機(jī)、抽油桿和抽油泵之間的配合進(jìn)行優(yōu)化，能夠使產(chǎn)液量大幅度提升，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

（2）電磁滑差電動機(jī)。在20 世紀(jì)90 年代，勝利油田對這一電動機(jī)進(jìn)行研發(fā)。這一電動機(jī)實(shí)際是在傳統(tǒng)的電動機(jī)上增加了電磁離合器。電磁離合器中的電流變化能夠?qū)鬟f矩扭造成影響，在沖擊荷載過程中，如果離合器滑差大幅度增加，那么，電動機(jī)也不會出現(xiàn)發(fā)熱的情況，可以實(shí)現(xiàn)空載啟動。這一電動機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠與系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)有效配合。但是節(jié)能效率相對較低，只能夠降低抽油泵和抽油桿發(fā)生故障的概率，可以延長設(shè)備的使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用過程中這一系統(tǒng)具有較高的成本。

（3）稀土永磁同步電動機(jī)。在20 世紀(jì)90 年代，我國大慶油田學(xué)院開展了對這一電動機(jī)的研究和實(shí)驗(yàn)，獲得了良好的效果。這一電動機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中主要包括啟動鼠籠、磁鋼和稀土材料等內(nèi)容。這一電動機(jī)在應(yīng)用過程中與傳統(tǒng)的異步電動機(jī)相比，具有更低的轉(zhuǎn)子損耗。所以，與普通電動機(jī)相比，這一電動機(jī)的應(yīng)用效率也相對較高，在運(yùn)行過程中具有較強(qiáng)的機(jī)械特性，所以不能改變抽油機(jī)、抽油泵和抽油桿的配合，無法起到良好的技能效果。如果在功率相同的情況下，稀土永磁電動機(jī)的應(yīng)用成本要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電動機(jī)。

（4）變頻調(diào)速電動機(jī)。這一電動機(jī)主要就是在傳統(tǒng)的電動機(jī)中加入變頻器，能夠使電動機(jī)的容量大幅度降低，提高了電動機(jī)的負(fù)荷率，由于變頻器的功率因數(shù)近似于1，而且能夠改變上下沖程的速比，對抽油系統(tǒng)之間的配合進(jìn)行優(yōu)化。這一電動機(jī)的應(yīng)用能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。其中存在的不足主要是無法對發(fā)電時間進(jìn)行有效反饋，只有通過電阻才能夠放掉發(fā)電量，而且在應(yīng)用過程中如果一次投入量較大，那么會提高現(xiàn)場的管理難度，使電動機(jī)的附加損耗得到提升。而且可以通過電控制相對電動機(jī)電源設(shè)備進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，主要可以采用相位調(diào)節(jié)和整數(shù)撥通斷調(diào)節(jié)，使電動機(jī)和電壓之間的比例維持穩(wěn)定。通過對換向電源的電壓進(jìn)行調(diào)整，能夠改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高系統(tǒng)之間的配合效率，實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。

（5）雙功率電動機(jī)。與傳統(tǒng)電動機(jī)相比，這一機(jī)電動機(jī)的電子繞組發(fā)生了改變。例如，原本的電動機(jī)為37kW，現(xiàn)在定子繞組變?yōu)?5kW 和22kW。通過電流檢測電路能夠?qū)@組進(jìn)行有效切換，在實(shí)際應(yīng)用過程中，將2 個繞組分別投入，能夠減小總電流。在電動機(jī)實(shí)際應(yīng)用過程中，如果負(fù)荷率在60%以下，可以應(yīng)用22kW 繞組，如果負(fù)荷率在40%以下，可以應(yīng)用15kW 繞組。如果負(fù)荷率較大時，可以將兩種繞組共同應(yīng)用，因此來有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

3.2 抽油機(jī)節(jié)能

目前，我國在游梁式抽油機(jī)發(fā)展和應(yīng)用方面逐漸得到了優(yōu)化和提升，抽油機(jī)技術(shù)主要包括智能化、精確平衡、自動化、低沖次、長沖程和節(jié)能等諸多方面。同時，也對新型節(jié)能抽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化和研究，主要包括前置式抽油機(jī)、異相型抽油機(jī)、智能抽油機(jī)、大圈式抽油機(jī)、自動化抽油機(jī)、液壓缸式抽油機(jī)、低矮型出油機(jī)等。同時也對抽油機(jī)的節(jié)能部件進(jìn)行分析和研究，例如，電動機(jī)節(jié)能控制柜、齒形膠帶和，超高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)等。目前，我國抽油機(jī)種類相對較多，主要包括前置式、常規(guī)式、鏈條式和偏置式等，能夠?qū)Ω鞣N工作狀況和各種工作需求進(jìn)行滿足。我國目前針對游梁式抽油機(jī)的減速箱和皮帶進(jìn)行深入研究，以此來提高抽油機(jī)的使用效率。

3.3 抽油桿節(jié)能

在對游梁式抽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化過程中，將新型的處理工藝和新型的材料應(yīng)用其中，對抽油桿工藝進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。我國出現(xiàn)了多種關(guān)于抽油桿的新型開發(fā)和應(yīng)用，抽油桿的發(fā)展能夠使抽油機(jī)的運(yùn)行效率得到有效提升。新型的技術(shù)和材料能夠推動抽油桿的發(fā)展，從而出現(xiàn)更多形式和更多種類的抽油桿，從而使抽油桿的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性得到提升，也使抽油桿的運(yùn)行更加可靠。同時，也逐漸出現(xiàn)了連續(xù)油管和連續(xù)抽油桿。在國際上也出現(xiàn)了鋼帶式超長沖程抽油機(jī)，對于抽油機(jī)主要對鋼帶抽油桿進(jìn)行應(yīng)用，將抽油桿纏繞到地面抽油機(jī)滾筒中。另一端對結(jié)構(gòu)較為特殊的抽油泵活塞進(jìn)行連接。通過這一方法能夠使沖程得到大幅度增加，也能夠增加采油效率，同時提升系統(tǒng)效率。

除此以外，滾輪接箍方法能夠減少抽油桿的損失，這些方法主要是對傳統(tǒng)的抽油桿進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和創(chuàng)新，將滾輪裝在不同方位上。在抽油桿彎曲過程中，滾輪能夠與油管進(jìn)行接觸，從而使原本的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，有效降低損失。

4 結(jié)語

總體而言，游梁式抽油機(jī)目前被廣泛應(yīng)用于石油開采中，但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中存在能耗高、效率低的情況。要想對這些問題進(jìn)行有效解決，就需要從多方面進(jìn)行充分考慮，對抽油機(jī)運(yùn)行和應(yīng)用過程中存在的問題進(jìn)行分析，了解其中的不足，同時提出有針對性的解決策略。本文針對游梁式抽油機(jī)的工作原理和設(shè)計思路進(jìn)行分析，同時也對一些控制節(jié)能裝置進(jìn)行考慮，將這些裝置應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)中，能夠有效減少能源消耗，也能夠提高工作效率。除此以外，本文還提出了一些游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)，主要包括電動機(jī)節(jié)能、抽油機(jī)節(jié)能和抽油桿節(jié)能，以此來提高抽油機(jī)的工作效率，也能夠?qū)崿F(xiàn)有效節(jié)能。