抽油机井自动平衡改造方法及效果评价

2021-07-19战永生大庆油田有限责任公司第六采油厂

石油石化节能 2021年7期

战永生（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

游梁式抽油机运行过程中悬点负荷变化是不均匀的，而且悬点运动的加速度和速度变化又加剧这种不均匀性，传统平衡调整方式是调整平衡块在曲柄上的位置，消除无用功，使电动机、减速箱的负荷变化均匀[1]。但目前游梁、曲柄平衡包括下偏杠铃平衡均属于静态平衡，平衡块杠铃位置固定不动，导致其力臂变化有限，平衡节能效果不足[2-3]。通过自动平衡设计，实现抽油机运行过程中平衡重力臂自动调节，动态平衡，使节能效果显著增强。

1 技术原理

太阳能储能自动平衡抽油机，采用在尾游梁上安装游标式配重块，配重游标依靠太阳能运行，太阳能电池板给蓄电池充电，蓄电池带动直流电动机驱动配重游标自动前后移动调节配重力臂，从而在不停机的情况下自动调整抽油机平衡度，使抽油机平衡度始终保持在较高水平[4-5]。

由游梁抽油机平衡重做功公式得：

式中：Aw为下冲程杆柱重量及电动机对悬点载荷做功；s为冲程，m；c为游梁平衡力臂长度，m；Wb为达到平衡所需平衡重，kN；Xuc为抽油机不平衡所需配重，kN；a为游梁前臂长度，m。

当抽油机在下死点时，自动平衡块向后移动，相当于平衡块力臂c加长，则电动机做功减少；同理，当抽油机运行到上死点时，游标平衡块自动向内运行，相当于平衡块力臂c减少，则Aw减少；由公式可知，杆柱对载荷做功不变，Aw减少，则电动机对载荷做功减小。通过以上分析可以看出，自动平衡装置通过在抽油机运行过程中游标自动运行，加大或减小抽油机力臂，减少电动机功率输出，改善平衡效果，从图1 可见，经尾游梁平衡后，曲柄静扭矩峰值大幅降低，波形更加平缓，达到节能目标[6-8]。

图1 尾游梁平衡后曲柄静扭矩情况

2 结构设计

太阳能储能自动平衡尾游梁装置由尾游梁和地面控制系统组成。其中尾游梁可采取悬挂的方式固定在抽油机游梁尾部，负责实现自动平衡功能的太阳能游标均安装在尾游梁上（图2）。

图2 抽油机井太阳能储能自动平衡装置示意图

1）尾游梁。尾游梁由尾游梁主体和游标组成，游标套接在尾游梁主体的梁体上[9-10]。尾游梁尾部设置配重块，用于调节超出游标运行范围以外所需的平衡块重量及力矩。游标式尾游梁采取挂接方式安装在游梁尾部，不用敷设任何电线电缆和传感器。

2）太阳能游标。游标控制箱及蓄电池组采用两侧模块化安装，自动平衡尾游梁结构图见图3。太阳能游标两侧设置太阳能电池板。蓄电池采用2块12 V、50 Ah 串联组成，电压为24 V 直流电源。电动机为24 V、120 W 低速大扭矩无刷直流电动机。游标两端分别安装限位开关，游标触发限位开关后停止动作，实现可靠的限位保护功能。

图3 自动平衡尾游梁结构图

3）控制系统。地面控制系统采取无线通信方式发出的控制信号，控制游标配重的移动。

3 尾游梁受力分析

为保证改造尾游梁受力均匀以及改造部位强度，对尾游梁进行强度校核计算。在额定扭矩及电动机自身重力作用下，在尾游梁自身重力以及游标平衡重作用下，最大应力发生在尾游梁根部（与游梁连接处），最大应力为113.7 MPa，按照屈服强度830 计算，安全系数7.29 （830/113.7），变形量极小，满足强度要求，改造后也不会改变常规游梁使用强度。

4 应用情况及效果

现场可采取两种方式进行改进平衡效果达到节能目的：一是采取游标行程与抽油机井冲程同步的方式进行平衡；二是采取游标定位置的平衡方式，即游标依据抽油机井的平衡状态采取固定任意位置的方式进行节能平衡。

为验证抽油机井自动平衡改造的平衡效果，试验时分别测试游标固定位置平衡以及与冲程同步行程方式两种状态下的能耗和载荷情况。游标平衡重固定时测量，游标位于尾游梁低端、中部及低端，分别比改造前节电33.37%、34.13%和33.95%，系统效率分别可提高6.9、7.4、7.3 个百分点，1#井游标固定不同位置平衡效果对比见表1。

表1 1#井游标固定不同位置平衡效果对比

对应抽油机每个冲程运行，通过太阳能储能单元控制游标配重运行。游标运行的不同行程下，最大有功节电率可达到43.1%，1#井游标动态平衡状态下平衡效果见表2。通过电流监测可见，峰值电流由最高11.2 A 下降到6.9 A，折算扭矩峰值比常规曲柄平衡下降40.7%，极大改善平衡效果，2#井太阳能储能型自动平衡改造效果曲线见图4。按游标行程0.5 m 运行计算，平均有功降低1.087 kW，日节电26.1 kWh，年节电9 391 kWh。