浅析宽带链条换向抽油机半直驱改造及其节能降噪效果测试

2023-02-16丛岩路辉丛峰常国旭高中正

中国设备工程 2023年3期

丛岩，路辉，丛峰，常国旭，高中正

（1.中国石化胜利油田设备管理部；2.中国石化胜利油田分公司胜利采油厂，山东东营 257000；3.中石化新疆新春石油开发有限责任公司，新疆塔城 834700；4.山东创新石油技术有限公司，山东东营 257000）

1 引言

对于油田采油厂来讲，抽油机的工作效率及运行状况直接关乎油田的生产效益，因此，如何提升抽油机的工作能力并保证其长寿命周期稳定运行是至关重要的。

传统的抽油机的驱动方式为三相异步电机通过三角带与减速箱连接，然后通过减速箱的输出轴将动力传递至驱动链条，这种方式动力传递环节太多，必然会影响其传动效率，研究发现其传动效率仅为14.7%。除此之外，传统抽油机所使用的三角带寿命低，更换频率高，而且其张紧力需要及时调整，其张紧力过小容易出现打滑现象导致传动效率降低，张紧力过大则会加剧其摩擦损耗；另外，减速箱的存在大大增加了维修保养成本和停机检修成本，而且其运行产生的噪音污染也是不可避免的。

针对胜利油田抽油机上述缺憾与不足，本文提出了“半直驱式”驱动改造方案，取消原来的三角带、机械换向及减速器机构，采用永磁同步电机与同步带传动的方式，将同步带轮的输出轴直接与驱动链条连接，减少了传动环节，提高了传动效率。与此同时，共直流母线技术与超级电容的设计与应用进一步降低了能耗，该技术在东辛采油厂应用后，单机每日平均耗电量从原来的140kW·h降低为80kW·h，具有良好的节能效果。

2 改造方案的确定

为了实现节能、降噪、提高传动效率、降低维修保养频率及成本的目的，本次整体的改造升级方案共包括两部分，首先是动力及传动部分的改造，其次是超级电容和直流母线技术的应用。

2.1 皮带式抽油机工作原理

油田现有的皮带式抽油机主要是通过三相异步电机与减速器连接，减速器输出端与机架内传动链连接以实现抽油杆的上下往复运动，图1所示为现有的皮带式抽油机的整体结构及传动部分结构示意图。

图1 皮带式抽油机整体及动力部分结构示意图

三相异步电机经减速器后，将动力输出至下链轮从而驱动链轮及传动链的转动，由于皮带式抽油机传动链条始终保持同一方向转动，为了实现井下抽油杆及其配套工具的往复运动，采用了曲拐与滑车架相结合的机械式换向结构，图2所示为机械换向结构示意图。曲拐头部与传动链相连接，相当于传动链条的一个特殊链节，始终与传动链条保持运动且保持相对静止，曲拐圆轴部插入滑车架，并可以在滑车架内转动以实现曲拐头的换向功能。

在上行过程中，当往复架上端运行至上链轮顶端，滑车架在驱动链条的作用下运动至链条的另一侧从而完成换向动作，此时，往复架与抽油机配重块开始向下运动，与此同时，抽油杆进入上冲程工作状态；当往复架下端运动至下链轮位置后，在驱动链条的作用下，滑车架运动至链条另一侧，进而再次完成换向动作，随后往复架与抽油机配重块再次进入上行阶段，与此同时，抽油杆进入下冲程工作状态。如此周而复始，完成抽油机的上行及下行的抽汲工作。刹车时，需双人操作，一人断电停机，另一人靠近抽油机同时拉手刹，完成停机刹车，操作步骤较为复杂。

抽油机在往复运动过程中，其交变载荷不断发生变化，正常工况下，除其位于满负荷状态外，三相异步电机均处于轻载工作状态，然而，三相异步电机的额定功率远大于实际功率，在电压不变的情况下，这将导致定子线圈损耗变大，最终导致电机的工作效率和功率因数增加，无疑会导致用电量的升高；三角带及减速器的存在导致抽油机传动效率降低，三角带与减速器的频繁更换及维护增加了修井作业的频率及成本；除此之外，机械换向结构产生的噪音较大，会对人口密集的村庄产生不良影响。因此，为了进一步降低能耗，提高产量，本文针对上述皮带式抽油机的缺点，对其动力及传动结构进行了升级改造。

2.2 动力及传动模块的升级改造

在动力方面，将原来的三相异步电机替换为永磁同步电机，永磁同步电机与变频伺服控制器的配合可以根据现场实际工况对永磁电机的实时调控。在传动方面将三角带替换为同步带，通过同步带轮直接将永磁同步电机的动力输出至驱动链条，取消了原来的减速器结构，图3所示为在皮带式抽油机的基础上对其动力及传动机构进行升级改造后的结构示意图。

图3 半直驱式抽油机整体结构示意图

永磁同步电机与变频伺服控制器的使用不仅摆脱了原来机械换向结构，实现了抽油机正反转减速柔性换向，而且该系统还可以根据现场实际工况随时调节冲程、冲次，避免了井下工况变化或更换井口转移机时抽油机不匹配的问题，使抽油机始终保持合理的工作状态，达到进一步节约电能、降低消耗、管理方便的目的。如果发生移机，皮带式抽油机由于冲程不可调，无法适应新井冲程变化的要求，需要重新匹配一台新抽油机，势必会增加由于停产带来的额外成本，对其进行升级改造后可以根据新移井的生产要求选择新的冲程以实现远程调参，这对提升油井产量，延长抽油杆、抽油泵寿命具有重要意义，因此，改造升级后抽油机使用范围更广。

除此之外，在本次升级改造方案中，将共直流母线技术与超级电容也纳入其中，使用共直流母线效率相比得到了有效的提高，降低了企业成本，减少了维修成本。超级电容充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上，循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”。使用超级电容可存储部分电能，反馈给抽油机使用，节能效果更好。

3 现场的应用

该升级改造后的半直驱式抽油机成功应用在东辛采油厂辛一管理区，图4所示为半直驱式抽油机应用现场，并对其用电量、噪音等性能进行了测试。

图4 应用现场

3.1 能耗测试

对东辛采油厂辛一管理区的2台改造后的半直驱式抽油机（DXX37X69和DXX37X64）每天的耗电量进行了测量，并将其与改造之前的皮带式抽油机进行比较，每台抽油机连续测量5天，图5、6所示分别为改造后的2台抽油机与皮带式抽油机在测量周期内耗电量的比较。

图5 改造前后耗电量比较（DXX37X69）

图6 改造前后耗电量比较（DXX37X64）

改造前的2台皮带式抽油机5天内的平均耗电量分别为141、139、140、145、135kW·h，其总平均耗电量为140kW·h；升级改造后的半直驱式抽油机的5天内的平均耗电量分别为80kW·h、84kW·h、81kW·h、79kW·h、76kW·h，其总平均耗电量为80kW·h，综上所述进行半直驱式升级改造后，单机每日耗电量可降低约60kW·h，降低幅度约为42.9%。

3.2 噪音测试

对皮带式抽油机改造前后的正常工况下的噪音进行了测量对比，其中包括上冲程、下冲程及换向时刻的噪音。图7所示为两者对比结果。

图7所示，皮带式抽油机未经升级改造之前其3个工作状态下的噪音数值平均为95dB，经过改造后的半直驱抽油机3个工作状态下的噪音平均值分别为43dB、42.7dB。分析发现，皮带式抽油机在换向工况下的噪音到达峰值为105dB，半直驱改造后的抽油机噪声分贝数值显著降低，一方面，是由于减速器和机械式换向结构的取消，降低了由于齿轮啮合及驱动链条与曲拐碰撞的噪音；另一方面，是因为将三相异步电机更换为永磁同步电机后其转速由原来的970r/min降低至199r/min，转速的降低对电动机噪音的抑制有重要影响。

图7 改造前后设备噪音比较

4 结语

针对胜利油田现有的皮带式抽油机能耗高、效率低、噪音大等缺点，对其动力及传动部分进行了半直驱式升级改造并将其成功应用至东辛采油厂。经实际测试，半直驱改造后单机每年可节省用电费用约2.19万元；减速器的取消提高了抽油机工作效率的同时，降低了三角带等易损件的替换及润滑油等保养成本，预计单机每年可节省0.4万元；在线监控、智能调参等技术的应用，在实现不停机远程调参的同时，可降低人工成本约6万元。综上所述，经半直驱升级改造后单台抽油机可降低能耗及维保成本约8.59万元。