常规游梁式抽油机自动平衡改造方案及节能原理分析

2016-06-13呼思杰何冬青中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院山东东营257061

山东工业技术 2016年12期

关键词：节能

呼思杰,李晗,何冬青（中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院,山东东营 257061）

呼思杰,李晗,何冬青
（中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院,山东东营 257061）

摘要：常规游梁式抽油机结构简单可靠、耐久性好，一直以来占据采油设备的主导地位，但其耗能高、制造成本高、平衡调节困难等不足日益突出。通过分析游梁式抽油机的节能原理以及开展抽油机平衡调整技术的研究，提出了以节能为目的的游梁辅助平衡方案,在此基础上提出了一种新型自动调节游梁平衡装置。该新型游梁式抽油机平衡调节装置对原机的改动小，通过配重块在配重横梁上的相对移动可以抵消部分驴头负载，实现不停机调节平衡从而起到节能作用。

关键词：游梁式抽油机；自动平衡；节能

0 引言

据统计，我国在用抽油机井近9万口，年新机装备量5千余台，年耗电量105亿kwh，电费开支40余亿元。在采油成本不断上升而油价由于供求失衡等原因持续低迷的情况下，节能降耗、不断降低生产成本已成为采油行业的主题。当前抽油机的节能措施主要集中在以下三个方面：

一是将常规型游梁式抽油机分批进行节能改造，改造成前置式抽油机下偏杠铃抽油机等；

二是给常规型游梁式抽油机加装节能辅助平衡装置，实施节能改造；

三是在抽油机电控柜加装电容器，对电动机无功功率进行补偿。

本文的节能方案属于第二种节能方法。这种方法相比第一种方法的优势在于，基本无需改变抽油机的自身结构，改造费用低，节能效果好。依据力矩平衡的原理，在游梁式抽油机的游梁上增加一个配重梁及合适的配重，由执行机构带动配重在游梁上移动，通过改变配重块在游梁上的位置来改善抽油机的平衡性。

1 主要结构原理

固定安装在游梁式抽油机游梁尾端的配重横梁及安装在配重横梁上可移动的辅助平衡装置主要结构如图1所示。

1.电动机；2.皮带；3.减速器；4.曲柄；5.连杆；6.配重梁电机；7.蜗轮；8.链轮；9.蜗杆；10.配重块；11.链轮支座；12.配重横梁；13.游梁；14.横梁；15.支架；16.驴头；17.钢丝绳；18.悬绳器图1 配重块相对横梁移动辅助平衡装置游梁式抽油机

电动机的旋转经皮带、减速器后，转化为曲柄旋转运动，再经曲柄连杆机构转化为游梁的上下摆动。可移动配重块在链条的拉动下，沿配重横梁上的滑轨可做往复移动，当由于井下载荷变化导致平衡度偏离允许范围时，可通过平衡块沿配重横梁的移动调节平衡度。最后经驴头的上下运动带动悬绳器上挂着的光杆、泵等井下载荷上下运动完成往复抽油过程。

2 平衡节能原理

在用工频直接启动的场合，游梁式抽油机所需启动力矩大约是正常工作的两倍以上，加之由于采油工况的复杂性，如油稠、出蜡导致驴头负载较正常工况增大等因素，因而在设计的时候采用的电动机的额定功率都比较大。而在正常抽油时，负载变轻，所需的力矩又比较小，出现了抽油杆的负荷特性与电动机的机械特性不匹配的问题，因此电机效率低的现象很严重。尤其在驴头下放时，负载变轻，传统结构游梁式抽油机的电机接近空转，降低了电网的功率因数和电机的效率，增加了无功损耗，导致能源浪费严重。三相异步电动机效率曲线图如图2所示，当电机输出机械功率低于额定功率30%后，三相异步电机的效率近乎直线下降。因此，尽量使得曲柄轴净扭矩曲线接近对应电动机输出扭矩的理想扭矩线，使电动机输出扭矩尽量多地处于电动机额定输出扭矩70%-100%范围，无疑由于电机实际使用效率的增加从而有效降低电机输入电功率，达到省电效果。

图2 三相异步电动机效率曲线

图3 Cyj12-4.2常规型抽油机动力学仿真数据（纵坐标为曲柄轴输出扭矩，周期5s，2.5s前为避免突然施加载荷导致仿真失败而逐渐施加载荷的过程，2.5s-7.5s为根据示功图施加悬点载荷的仿真数据。2.5s-5.0s为抽油杆上行程数据，5.0s-7.5s为下行程数据。实线为未加平衡游梁的数据，虚线为只添加平衡游梁的数据，点画线为添加平衡游梁及平衡块的数据）

3 机械系统设计

游梁式抽油机配重块相对横梁移动辅助平衡装置示意图如图4所示。所设计的机械系统主要由配重横梁、链轮支撑座、2个链轮、1条链条、1块配重块、1组蜗轮蜗杆、1个联轴器、1个电机等组成。整个配重横梁左端即图4所示的左端与抽油机游梁尾部焊接在一起，左链轮支座固定在配重横梁上，支座上有链轮Ⅰ和右端的安置在蜗轮上的链轮Ⅱ配合使用，可使链条随链轮运动，拉动配重块在横梁上进行相对直线移动。配重块内会安装有铰接的零件，用于固定配重块及链条。

配重横梁上的电机通过蜗轮蜗杆减速，蜗轮轴带动链轮Ⅱ旋转，链轮Ⅰ和链轮Ⅱ通过链传动实现与之相连的配重块的往复移动，通过改变平衡力矩的大小达到调节平衡从而节能的目的。