浅谈评价抽油机节能的几个误区

第一篇：浅谈评价抽油机节能的几个误区

浅谈评价抽油机节能的几个误区

吉效科，许丽，张浩

摘要：从六个方面阐述了一些判别抽油机节能的方法和观点，明确了抽油机的节能主要是通过一些手段优化调整油井参数达到节能的目的，参数调整是抽油机节能的关键，此外，正确认识节能抽油机或者配套节能装置的效果，让时间和实践检验节能抽油机或者配套节能装置，真正为油田推出经得起考验的节能抽油机或者节能技术。

关键词：节能抽油机；节能技术；抽油机评价

近些年，随着国家对节能环保的重视，节能型设备的开发与推广不断为人们所接受，各行各业都在提倡设备的节能技术。油田作为生产性企业是耗能大户，从原油开采、输送、处理都需要消耗能量，油田装备制造企业也开展了研发和制造采油、输油等方面的新型节能设备，各种节能设备相继出炉，种类繁多，据不完全统计，2000年以来国家新型节能抽油机及其套设备专利有100多项，一些抽油机厂家努力推荐自己的节能产品和技术，拿着正规的国家或地方的专业检测机构的节能检测报告，从节能数据反映都有很好的节能效果，但是，其实不然。那么，如何去辨别是否真的节能，节能数据是否可靠可信，设备是否适合油田使用在实际工作中评价抽油机节能工作存在很多误区。节能测试报告缺乏可靠性

设备是否节能经常需要和其他同类型设备做比较才能知道，对于抽油机节能通常需要选择常规或者其他节能抽油机做比较，比较的前提是要有相同的条件。抽油机对比有两种方式，即同井不同机比较、不同井不同机比较。不同井不同机需要平衡度、参数(冲程、冲次、悬载)、井口回压、测试时间、控制方式、测试手段等一致或接近，同井不同机需要冲次、冲程、平衡度、测试时间、控制方式、测试手段等一致，而且油井工况要稳定。但是我们常常会看到在权威节能检测机构提供的节能监测报告中不明确抽油机对比方式，油井工况参数、抽油机冲程、冲次等参数不尽一致，对比抽油机不平衡而节能抽油机处于最佳平衡，在这些情况下测试得出的节能数据是不可靠的，不具有说服力。因此我们在看节能测试报告的时候不能只看综合节电率等结论性的数据，一定要看节能测试的条件和重要参数，看二者是否具有可比性，如果甲抽油机严重不平衡，参数过大，而乙抽油机平衡良好，参数合理，则不能说乙抽油机比甲抽油机节能。节能效果人为因素扩大化

这种误区主要有两个方面的情况，一是抽油机节能的效果被人为扩大。抽油机节能的原理大致有结构优化、控制方式、参数优化、配套电机等，这些节能的原理和方式是有区别的，在通常情况下，一些研发和制造厂家将抽油机井参数调整、改变控制方式等实现油井节能误认为是抽油机节能，新型抽油机真正意义上的节能应该是结构优化使得本身的效率提高而实现节能，在目前油田使用的采油装备中，无杆泵由于没有杆柱和地面能量损耗，因此节能效果比有杆采油装备好，无游梁抽油机由于没有了游梁式抽油机具有的曲柄配重的旋转和游梁驴头的摆动而产生的换向功，因此其节能效果比游梁式抽油机好，游梁式抽油机中游梁平衡比复合平衡节能，复合平衡比曲柄平衡节能，原因就是三者随着曲柄配重的增加使得换向功增加而造成的。另外抽油机本身的节能主要是在减少摩擦损耗，但是如电机、减速器、轴承等部件存在能耗是难免的，只能优化减小不能完全消除。因此抽油机本身的节能是比较小的，新型节能抽油机本身综合节电率每提高5％都是非常好的效果，通常我们看到一些新型节能抽油机综合节电率30％、40％、50％以上，系统效率提高15％以上等等这些数据都是虚假的，并不是新型抽油机本身节能，肯定参人了参数调整、改变控制方式等实现的节能。

二是人为想办法让抽油机具有较好的节能效果，每个研发和制造新型节能抽油机及节能技术的厂商盼望取得良好的节能效果，只许成功不许失败，因此在委托节能监测机构时可能要进行关系沟通，作为监测机构碍于面子问题，会给厂商一定的照顾，即使测试节能效果不明显，也常常会看到一些新型节能抽油机厂家介绍的节能效果好的离谱。为了消除人为因素的影响，我们对试验的新型节能抽油机编制测试方案，自行进行对比测试，节能测试数据都比厂家介绍的节能数据要低，甚至有些新型节能抽油机或者节能技术不具有节能效果。因此所谓新型节能抽油机或者节能技术是否真正有节能效果，还需要用户自己测试，真抓实干，甩开人为因素的影响，真实体现客观事实，防止人为误导。节能宣传报道过于激进化

通常一项先进技术、一种新型设备从研发到批量推广都需要经历较长的时间，需要实践的检验，很多新产品成熟前都会有这样那样的问题，需要不断的改进、试验、定型，而在油田新型设备在试验期间或者刚安装投产，就有“应用成功”和“取得效果”的报道，太过于抢先，而这些激进的报道过早的下结论后导致设备推广决策的失误。复式永磁电机抽油机曾经在2009年3月《贵州商报》上以题为《贵州造抽油机成油田节能王》报道，被誉为“绿色抽油机”的电机抽油机，综合节能率可以达到50％。这一报道距离该抽油机研发现场试验只有1年多的时间，但是这种抽油机的造价、实用性等受到很大考验，其结构主要是采用复式永磁电机及控制系统解决了立式抽油机的换向、低速度的问题。其实，现在成熟推广的开关磁阻电机、变频调速电机、链条换向、齿条换向配套控制系统照样实现了复式永磁电机解决的问题，而且他们组成的抽油机价格、结构、体积等都比复式永磁电机抽油机有优势。一味追求节能忽视可靠性、安全性等综合因素

结构简单、安全可靠、便于维修操作、易损件寿命、投资与维护费用低、节能高效等是评价抽油机是否具备推广价值的主要依据。但是在实际管理中，大家对抽油机一味的追求节能高效，却忽视了可靠性、安全性等重要因素。目前，国内对抽油机的可靠性要求暂时还没有一个明确的标准。据统计，拉夫金生产的抽油机，在加拿大应用中故障率在7％以下，平均每台抽油机年累计用于维护、润滑及故障处理的时间不超过2小时。中国石油所用的抽油机对该时间没有进行系统的统计，预计累计时问不会低于10小时，也就是说抽油机由于设备的原因开机率99．86％。假设以10小时计算，中国石油在用的10万台抽油机，则需要有340多个维修队伍365天(8小时／天)忙于抽油机的维护。目前正在试用的一些新型节能抽油机，可靠性远远达不到上述要求，保守一点说，这些机型年累计维护时间不会少于5天。在试验阶段因为应用的数量小，这5天的维护时间并没感觉到有什么大问题，假如推广到1000台，将意味着需要有40多个维修队伍365天(8小时／天)忙于抽油机的维护；推广到1万台，将意味着需要有400个维修队伍365天(8小时／天)忙于抽油机的维护。这不仅是维护的人力、直接费用难以支撑，同时将意味着每年要影响上百万吨的原油产能、几十亿元收入。由此也可以看出抽油机可靠性、安全性等其它因素的重要。节能产品高价投入短期收回成本

通常所见节能抽油机价格都要比同机型游梁式抽油机价格要高，要价高的理由就是高价投入短期内就会收回成本，将节能降低成本作为价格的筹码。比如，10型游梁式抽油机配套的Y系列三相异步电动机价格3200元左右，而稀土永磁电机、双功率电动机、高(超高)转差电动机等的价格10000～15000元左右，是Y系列三相异步电动机的3～5倍；Y系列三相异步电动机在油区维修技术简单成熟，维修单位较多，方便维修，而特殊电机维修技术和工序复杂，油区较少有专业维修队伍和手段，很多需要专业厂家返厂维修，维修费用高，维护时间是游梁抽油机的10倍以上。目前，由于各油田采油厂成本压力均较大，维修人员较为紧张，虽然一些特殊电机配套抽油机节能效果也不错，但与普通Y系列三相异步电动机相比，不仅维修时间长、费用高，同时还因停机时间较长影响原油产量，而且对采油维修人员素质等要求更高，不一定能适应油田的实际。片面追求抽油机配置最小化

抽油机井节能是一个系统工程，只有综合优化才能有效果，如抽油机电机为了追求降低无功损耗，而降低电机配置功率，甚至低于抽油机正常运行所需电流，导致电机烧坏的问题，故障率增加，其实无功在计算综合节电率时所占有的损耗是非常小的部分，如二种配11kW普通电机的8型抽油机对比，吨液百米提升高度有功耗电量从5．84 kW·h／(102ITI·t)降至4．54 kW·h／(102 m·t)，吨液百米提升高度无功耗电量从7．88 kW·h／(102 m·t)降至3．88 kW·h／(102 ITI·t)，综合节电率为24．72％，但是无功在综合节电率中仅占4．38％，不能一味追求无功损耗低而降低电机配置功率，引发抽油机别的不可靠方面的问题。抽油泵从+32 mm下降至+28 mm，现在有人提出来+25 mm，可能导致泵的部件强度降低，性能下降，甚至引起因加工难度增加而使成本增加，其实对于低液量油井在配有+28mm抽油泵，抽油机低冲次的情况下完全可以实现高效率的。

总之，抽油机的节能主要是通过一些手段优化调整油井参数，使抽油机运行贴近理想工况的目标值，使得抽油机系统效率最大化，从而达到节能的目的，因此参数调整是抽油机节能的关键。评价抽油机节能需要录取第一手资料，综合排除影响因素，系统分析可靠的数据，正确认识节能抽油机或者配套节能装置的效果，切莫轻易听信别人所言节能，切莫人为扩大节能效果，切莫急于宣传报道成功，切莫仅仅追求节能降耗，切莫片面追求最小配置，而应遵循客观规律，让时问和实践检验节能抽油机或者配套节能装置，真正为油田推出经得起考验的节能抽油机或者节能技术。

第二篇：抽油机节能

一、游梁式抽油机的工作原理和能耗分析

1.工作原理游梁式抽油机的工作原理是动力机经由传动皮带将高速旋转运动传递到减速箱,做三轴减速,后由曲柄连杆将动力机产生的高速旋转运动转变为使游梁上下摆动的垂直运动,最后悬绳器通过抽油杆带动抽油泵柱塞上、下循环往复运动,将原油汲取上来。

2.能耗分析电动机损耗:包含各种热损失,摩擦损失以及材质损失。电动机功率越大,铜损越大,影响抽油机平衡。经测算,多数抽油机仅能达到最佳状态的六七成,具有巨大节能潜力。传动损失:机械摩擦传动损耗与润滑条件和抽油机平衡有关。但目前使用的传动皮带转动效率高,在润滑条件好的状态下节能空间有限。减速箱损失:主要有减速箱的齿轮与轴承之间的摩擦造成。减少减速箱损失最关键在于润滑,润滑不足不仅会使能耗上升,还会加速齿轮跟轴承的磨损,缩短使用寿命。换向及平衡损失:在换向结构一定的条件下,能量损耗较小,运行速率高,节能空间不大,而平衡方式的选择不同,对扭矩曲线的峰值有重要影响。

二、游梁式抽油机的节能指标和思路

1.节能衡量指标(1)电控技术水平包含电动机特性,负荷率,功率因素等指标。目前游梁式电动机主要通过改良电源频率,机械性能来提高节能水平。

(2)光杆载荷由抽油机本身的运动性能影响,可以通过改变抽油机的结构,以降低光杆最大载荷值,实现节能的目的。

(3)曲柄轴净扭矩由抽油机的平衡性能影响,改善平衡性的主要方法是改变抽油机平衡方式,如由原来游梁,曲柄及复合平衡改为连杆,随动等新的平衡方式。2.节能思路(1)通过改进抽油机的结构来实现节能这种思路的重点在于完善抽油机四杆机构的优化设计和改进抽油机平衡方式来使曲柄轴净扭矩曲线的形状以及大小得到调节,获得波动更平稳,负扭矩更小的理想效果,降低抽油机的周期载荷数,提高电动机运作效率,达成节能目的。

(2)通过改变动力机的工作特性来实现节能目前游梁式抽油机所使用的动力机大多数都是电动机,使用高转差率或者超高转差率电动机从理论上有利于动力机的节能。但根据文献[1]的测算,虽然使用高转差率和超高转差率的电动机减小了电流和功率曲线的平均值,但是高转差率电动机的工作效率要低于常规使用的转差率电动机,同时超高转差率电动机的高价也是阻碍此种节能方法推广的因素。(3)通过增加抽油机的转动惯量来实现节能 此种节能思路旨在通过增肌抽油机的转动惯量来发挥其动能均衡的作用,降低电动机所要承受的扭矩波动量,实现节能。然而现今条件下,动力机多数依然采用常规转差率电动机,输出转速变化和抽油机的动能变化都很小,所以单纯依靠动能的变化来均衡所承受扭矩的波动,效果不是十分理想。

三、游梁式抽油机的节能技术1.电动机及曲柄电动机的改造是节能技术的重中之重,主要有以下四种改造方法:(1)人为改变电动机的机械特性,柔性配合其负荷特性,从而提高系统运行效率。(2)从设计上改变电动机的机械特性,(如使用高转差电动机和超高转差电动机)从而改善电动机与机杆泵整个系统的配合,减少系统能耗。

(3)换用高效节能电动机,扩大高效区范围,提高电动机效率,降低装机功率,从而减少电动机损失

(4)采用节能型抽油机电动机控制装置(如可控硅调压式节能控制器,变频节能控制器等),对电动机的电压进行动态调节和无功补偿,降低网络电能损失。2.平衡方式平衡对能量损失产生较大的影响,作为节能的重点,可采取多种形式,通过游梁偏置,调径变矩下偏等平衡方式的合理运用能够在不同程度上降低扭矩曲线的峰值,减小曲线波动。

3.传动皮带可推广联组传动皮带各种的能量损失更小,动力大,摩擦系数小,丢转少,且能够明显减小带轮的直径与宽度,传动各种的能量损失更小。

4.抽油杆柱对于井液黏度较大的油井,可以利用冲程长,冲次低的工况降低抽油杆的运动速度,采用能降低井液黏度的措施,降低抽油杆柱和液柱之间的摩擦力,对于井筒坡度较大或者井筒弯曲程度较大的油井,可以将扶正器安装在抽油杆上,以减少杆管之间的摩擦损耗。

5.抽油泵选取合适柱塞泵筒之间的间隙,在不增加柱塞泵筒摩擦力的条件下,缩小液体漏失量,采用耐磨耐冲击质地坚实,开关性能良好,水力损失小的阀球和阀座,降低抽油泵部分的能耗。

总结本文从游梁式抽油机的工作原理,耗能分析和节能指标出发,沿着改造思路寻求游梁式抽油机的节能技术,给出了节能建议。各油田可根据油井实际情况进行抽油机节能改造提高负载率和功率因数,改善采油区电能紧张局面,减少开采成本,实现健康可持续发展。

试论游梁式抽油机的节能技术@黄兆丹$河南油田第一采油厂双河采油管理区!河南南阳474780 @罗爱武$河南油田第一采油厂双河采油管理区!河南南阳474780 @董飞飞$河南油田第一采油厂双河采油管理区!河南南阳474780 @张清露$河南油田第一采油厂双河采油管理区!河南南阳474780游梁式抽油机整体结构合理,承载能力强,运行平稳,操作简便,使用周期长,为全球广泛使用的抽油机类型之一,但其能耗大,运行效率不足百分之三十,造成石油开采区供电紧张的局面。本文从游梁式抽油机能耗分析入手,着力探究提升游梁式抽油机能效的方法,降低开采成本,以增加经济效益。游梁式;;抽油机;;节能技术[1]张清林.抽油机的现状、发展方向及其节能技术的探索[J].科技创新导报,2008(2):97—97.[2]周封,胡洋,孙志刚.抽油机节能方法与变频技术合理应用研究[J].节能技术,2010,28(3):218=221.[3]王贵生.胜利油田节能技术发展现状与展望[J].节能,2010(3):53—56.

第三篇：抽油机节能方式探讨

抽油机节能方式探讨

摘要：从平衡方式、结构型式、驱动电机型式和驱动控制技术等方面分析目前游梁式抽油机以及部分新型节能抽油机所采用的节能方式和原理。综合各种节能方式，采取塔架式结构易于构建直接平衡方式，可达到理想的平衡效果；驱动系统采用变频驱动永磁同步电机或采用开关磁阻电机，可显著降低电机的损耗功率实现节能目的。

关键词：节能；平衡方式；结构型式；驱动电机型式；驱动控制技术

目前油田原油开采普遍采用游梁式抽油机，其具有结构简单、操作简便、可靠性高的优点，但同时也存在能耗高、效率低、整机笨重和调参难等不足之处。抽油机是油田的耗能大户，其用电量约占油田用电量的40%，且其拖动电机普遍存在着功率利用率低、能源浪费严重的情况，目前我国有近8万台抽油机井，电动机平均负荷率30%左右，部分电动机负荷率更低。因此，抽油机的节能问题已引起了广泛重视，并出现了形式不同的节能产品。但目前各种节能产品，特别是电机控制装置因没有有效针对游梁式抽油机的实际特性进行设计，因此从油田的实际使用情况看，各种节能产品远没有达到理想的节能水平。

国内油田应用的有众多类型的节能型抽油机，有的是在常规游梁式抽油机的基础上优化改进，如调整平衡方式，或采用高转差电机、双速电机等。新型节能抽油机大多采用塔架式结构，传动方式有皮带式、链条式、钢丝绳等，驱动方式有永磁同步电机、开关磁阻电机等。

抽油机实现节能的方式主要有改进平衡方式、改进结构型式、采用节能驱动设备和采用节能控制装置等。针对常规游梁式抽油机和目前小批量出现的节能型抽油机的所采用的节能方式和原理作出探讨。

1、平衡方式

抽油机采用的平衡方式效果的优劣可通过减速器及电机输出力矩的波动大小来评价。在输出力矩平稳的情况下电机的效率较高，绕组的发热损耗和供电线路损耗均较低。

抽油机通常采用的平衡方式有曲柄平衡、游梁平衡、双驴头平衡、直接平衡、变矩平衡及相位平衡等。

1.1 常规曲柄平衡与游梁平衡

游梁式抽油机较多采用曲柄平衡、游梁平衡或二者结合的方式，如图1所示。

图1 图2 图3 图4 其特点是悬点载荷的力臂长度是固定的，而平衡重的力臂是变化的。游梁平衡重的力矩随游梁摆角的变化而变化，水平位置最大，上下死点处最小；曲柄平衡力矩随曲柄的圆周运动通过连杆产生周期性波动载荷。因此驱动电机也承受周期性波动载荷，输出力矩和电流按近似正弦曲线周期性变化，电机损耗较大。

1.2 异形游梁平衡

游梁采用弯梁结构（图2），当悬点运行到下死点时平衡重相对于游梁转轴处于同一水平高度，此时平衡重可以提供最大的平衡力矩，即最大平衡力矩发生在悬点最大载荷位置，减小了减速器扭矩峰值和电机输出力矩。采用这种平衡原理的抽油机有弯梁抽油机、调径变矩抽油机、下偏杠铃抽油机等。

1.3 异相曲柄平衡

基本结构与常规曲柄平衡方式相同，对其尺寸参数进行优化设计，使其运动特性与动力特性优于常规曲柄平衡。异相曲柄平衡结构悬点在下死点时曲柄具有较大的初始角度，即在上冲程初始位置悬点载荷开始增大时曲柄提供较大的平衡力矩，以减小减速器和电机的输出力矩。同时，上冲程对应曲柄转角大于下冲程曲柄转角，即上冲程时间较长，其悬点加速度和动载荷都较小，因此，电机的负载波动趋于平缓，减少了电机的损耗。

1.4 双驴头平衡

双驴头平衡方式也是游梁式抽油机较长采用的平衡方式（图3），其平衡重的力矩是恒定的，不产生动载荷，有利于降低电机损耗。

1.5 直接平衡

直接平衡指的是平衡重与悬点载荷直接相连，平衡重产生的力矩不随抽油机的运转

发生变化。新型节能型抽油机多采用塔架式结构，易于采用直接平衡方式，图4所示平衡重与井口负载采用皮带或钢丝绳绕过天轮连接，类似于定滑轮结构，平衡重直接与负载相连，力矩是恒定的，不产生交变载荷。

综合比较上述几种平衡方式，天平式平衡的平衡力矩是恒定的，能够达到理想的平衡效果。双驴头平衡虽然其平衡力矩不发生变化，但电机需通过曲柄连杆装置传递动力，因此，电机仍存在交变载荷。其他类型的节能平衡方式降低了减速器的最大扭矩，但平衡力矩仍然是周期交变的。

2、结构型式

2.1 游梁式抽油机

游梁式抽油机包括常规型、双驴头型、前置型和弯梁型等多种型式，它采用四连杆机构将电机的圆周运动转换为直线运动。这种传动方式造成悬点运动速度呈正弦曲线变化，电机输出力矩和电流周期性波动，电机损耗较大。

2.2 无游梁式抽油机

无游梁式抽油机机架大多为塔架式结构，采用电机驱动滚筒并带动皮带、钢丝绳或链条等传动，它直接将电机的圆周运动转换为直线运动，具有匀速运动段长、载荷变化小、运行平稳等特点，因此电机输出力矩和电流较为恒定，具有明显的节能特性。[1]

3、驱动电机的型式

3.1 三相异步电动机

游梁式抽油机普遍采用三相异步电动机，一般采用6极（同步转速1000r/min）或8极（同步转速750r/min）异步电动机，满载状态下功率因数为0.8～0.95。由于抽油机启动时的静不平衡性和巨大的惯性，异步电动机的启动电流非常大，采用的装机功率远大于实际运行功率，一般运行功率仅为装机功率的三分之一，在轻载状态下功率因数大多小于0.4。异步电动机在额定负载状态下运行时，其机电转换效率可达95%，但当在轻载状态下运行时，其机电转换效率可低至20%。因此，常规游梁式抽油机能耗大的主要原因在于异步电动机处于负载率和功率因数过低的状态运转。

3.2 高转差电机与多速电机

其原理是依靠降低电机启动转速增加扭矩以减小抽油机启动时的峰值载荷，从而降低装机功率，避免大马拉小车，改善整机动力匹配，提高电机的负载率和功率因数，减少线损和无功损耗。

3.3 开关磁阻电机

开关磁阻电机是一种新型调速电机，主要有开关磁阻电机、控制器与位置检测器等组成。应用于抽油机的驱动具有突出的优点是高起动转矩、低起动电流，低速时更为突出。与异步电动机相比，开关磁阻电机起动电流为15%额定电流时起动转矩即达到100%，起动电流为30%时，起动转矩可达额定值的150%；而三相异步电动机起动电流达额定电流的4～7倍，起动转矩仅为额定值。抽油机采用开关磁阻电机驱动可显著降低装机功率，配合控制器的使用功率因数达0.98以上。[2]

3.4 永磁同步电机

与异步电动机不同的是永磁同步电机的励磁由永磁体来实现的，不需要定子绕组提供励磁电流，因而电机的功率因数可以达到很高，理论上可以达到1，在轻载状态运行时效率和功率因数仍保持很高。同时永磁同步电机的转子不产生感应电流，不存在转子损耗问题，一般比异步电动机减少45%～60%的损耗。

4、驱动控制技术

4.1 调压节电技术

一般采用晶闸管相控调压电路来控制电机电压的大小。通过检测电路对电机的负载状况进行实时检测与跟踪，实时控制晶闸管的导通角，为电机提供合适的工作电压与电流，使电机的输出功率与实时负载相匹配，从而有效地降低电机的功率损耗，达到节电的效果。但晶闸管相控调压使供电线路电流波形发生畸变，电网谐波污染严重。

4.2 变频调速驱动

采用变频器驱动电机，可以低速轻载启动，降低电机的装机功率，实现真正的软启动；同时变频器可以实时跟踪电机负载变化情况，对电机供电进行调压节流，实现电机输出力矩跟随负载自动调节，电机的功率因数可达0.9以上，显著降低电机功耗。

5、总结

1、游梁式抽油机采用四连杆机构传动，无法避免平衡力矩的周期性交变，电机的动载荷较大、损耗高。各种平衡方式只能降低减速器的峰值扭矩，节能效果一般只有10%左右。

2、采取塔架式结构易于构建直接平衡方式，可达到理想的平衡效果。

3、采用变频驱动配合永磁同步电机，或开关磁阻电机，可显著降低电机的损耗功率。同时电机转速可调，抽油机调参容易。

我公司研制的新型长冲程节能抽油机，采用塔架式结构，直接平衡方式，驱动系统采用低速大扭矩永磁同步电机与变频控制相结合，电机的功率因数达0.99以上，井场实测节电率达40%。虽然驱动系统成本增加，但由于传动系统仅采用一级皮带减速，不

需要减速箱，因此综合成本与游梁式抽油机相比增加不多，值得推广使用。同时抽油机冲程与速度调节简便，特别适合于采油效率较低的老油田，可显著降低采油能耗成本和便于井口调参。

参考文献：

[1] 魏誉琼,文志雄,张斌,等.SY/T 6729-2008无游梁式抽油机[S].2008 [2] 母丹,张奕黄.开关磁阻电动机在抽油机节能改造项目中的应用[J].电气应用.2008.27(10):34-37 5

第四篇：游梁式抽油机的节能探讨

游梁式抽油机的节能探讨

来源:www.xiexiebang.com

摘要：游梁式抽油机是原油开采最主要的设备之一。由于其驱动电机在实际运行中负载率和工作效率不高，致使油区配电系统的功率因数偏低，增加了电能的损耗。目前普遍采用的节能方式是对单台抽油机进行电容器的固定无功补偿。针对传统无功补偿方式的缺陷，本次设计提出提出了动态无功补偿和进行Y—△转换相结合的节能方案，设计了动态跟踪的无功补偿装置，利用实时检测得到的系统负载率以及无功需求量来控制电容器的分组投切，实现了无功功率的“按需”补偿，取得了较为理想的补偿效果。

关键词：抽油机；节能；控制器引言

目前，抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，它将石油从地底提升到地面上来，从而完成采油任务。在抽油机的各种类型中，游梁式抽油机又占主要的地位，它是油田使用最广泛的一种举升设备，约占油井人工举升设备的95％[1]。虽然游梁式抽油机与无游梁式抽油机相比有很多弊端，但是由于数量多、采油成本较低等原因，游梁式抽油机在一段时期内还会占据抽油机市场的主导地位。所以，本次就以游梁式抽油机的节能作为研究的方向。

抽油机作为油田的主要生产设备，其驱动电机用电量占油田总用电量的比例很大，是油田的耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低（据有关调查一般效率在30％左右），导致了电能的大量浪费，提高了采油的成本。

综上所述，我们找到了抽油机节能设计的突破口，可以通过无功补偿和Y-△转换调节电机电压相结合的装置来实现抽油机的节能。这样提高了电机效率和功率因素，减小电机损耗，降低了电费成本，减少了能源的浪费[2]。工作原理和设计思路

2.1 游粱式抽油机工作原理

游梁式抽油机的类型很多，但其基本结构和工作原理是基本相同的。这类抽油机主要由游粱一连杆一曲柄机构、减速装置、动力设备和辅助装置等四大部分组成.游梁式抽油机的工作原理：电动机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴，并经中间轴带动输出轴，输出轴带动曲柄作低速旋转运动。同时，曲柄通过连杆经横梁拉着游梁后端上下摆动(或者是连杆直接拉着游梁后端)。游梁前端装有驴头，活塞、液柱及抽油杆等载荷均通过悬绳器悬挂在驴头上，由于驴头随同游梁一起上下的摆动，结果驴头带动活塞作上下的垂直往复运动，就将油抽出井筒[3]。

2.2 总体设计思路

游梁式抽油机占据了抽油机市场的主导地位，故本文的研究主要是针对游梁式抽油机。

同时游梁式抽油机的拖动装置绝大部分是交流三相异步电动机，其中鼠笼型异步电动机结构简单、坚固、惯量小、运行可靠、维修少、制造成本低及可应用于恶劣工作环境等优点，使其作为油梁式抽油机动力驱动装置，得到了广泛的应用。由于抽油机在工作时负荷匹配不合理，大多数电机处于轻载状态，造成大量的电能浪费，系统效率低下。因此，本文采用了一种以无功补偿为主，并和Y 一△转换调节电机电压相结合的装置来实现抽油机的节能。通过对抽油机工作时的负载率的分析，确定电机是否处于重载状态，实现了电机在启动时和高负载时功率因素的提高；同时通过补偿电容器组的投切来实现无功补偿，从而达到抽油机的节能。游粱式抽油机的节能设计

针对目前的节能方案，考虑到当前油田的管理水平和工人的技术素质以及现场环境和员条件，缺少一种成本低，可靠性高，节能幅度大，又能提高原油产量的节能方法。因此，针对上述这些情况，本次提出了一种以无功补偿为主，并和Y—△转换调节电机电压相结合的节能装置，使得抽油机节能控制箱的装配和使用尽量的简单，并具有较高的可靠性。

3.1 Y—△转换调压控制和无功补偿节能的原理

3.1.1 Y—△转换调压的节能原理

由于三相异步电动机的总损耗为：ΣP=P1-P2=Pfe+Pcu1+Pcu2+Pmac+Pad，其中，P为输入电功率，P2为电机轴输出功率。Pcu1为定子铜损耗，2 2Pcu1 = 3I1 R1 式中I1为定子每相电流，R1为定子每相电阻值；Pcu2为转子铜损耗，2 2Pcu2 = 3I′2 R′2 式中I′

2、R′2为转子每相的折算值；Pfe为电机的铁芯损耗： 2fe mP =P1 50（f）β B50，式中P1 50 为铁耗系数，其值范围为1.05~2.50； β 为频率指数，随硅钢片的含硅量而异，其值范围1.20~1.60；f 为磁通交变频率；Bm为铁芯中磁通密度；Pmac为机械损耗。通常认为其是大小不变的常量。由于Bm∞φ m∞E1 ≈ U1，可知铁损耗Pfe正比于电机端电压的平方[4]。

Pad为附加损耗，主要由于定、转子有齿槽存在，当电机旋转时磁通发生脉振而在定转子铁芯中产生附加损耗，其大小也与磁通密度大小成正比。

从上述可以看出，若要提高电机的运行效率η，则必须降低ΣP。而降低电机端电压可以使铁损耗大为降低，降低电机线电流，则可减少铜耗，从而使效率η 增加。

电动机转入Y 接状态运行时，定子相电流降低，定子铜耗Pcu1和转子铜耗Pcu2也相应降低。同时，Bm∞φ m∞E1 ≈ U1，随着U1下降，Bm减少，使得铁耗Pfe和附加损耗Pad也相应降低，所以总损耗ΣP下降。而电机从电网输入的电功率P1=ΣP + P2，转轴上所带负载没变，即输出功率P2没变，但ΣP减少，使得从电网吸取的有功功率P1减少，电机效率η = P2 P1得以提高，星形及三角形接法运行时的效率特性如图3.1 所示。出图3.1 可得，当电动机的负载率β 小于40％时，η Y>η在不考虑电机铁芯磁路饱和时，磁通与输入电压成正比，当换接运行后U1下降为原来的1 3，磁通也降为原来的1 3。电机设计时，与额定电压对应的磁路通常处于饱和状态，所以线电压降低，磁通减少，铁芯饱和程度降低。磁通以及饱和程度降低，使产生磁通的激中国科技论文在线磁无功电流减少，因而换接后的激磁电流比三角形连接时的1/3 还要低一些。激磁电流的降低，使电机向电网吸取的空载无功功率Q0减少，由功率三角形可知，无功功率Q减少，P值一定时，功率因数角? 减小，功率因数cos? 增大。同时，电动机在Y 形连接和△形连接时的功率因数与负载率β 的关系曲线如图3.2 所示。可见，当β <70%的时候，Y 形连接的功率因数明显高于△形连接时的功率因数。

3.1.2 无功补偿的节能原理

游梁式抽油机的异步电机可看作电阻R 与电感L 串联的电路并联电容后电压U与I的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流I的相位滞后于电压U,这种情况称为欠补偿。电容 C 的容量过大，使得电流I的相位超前于电压U，这种情况称作过补偿，此时会引起变压器二次电压升高，而且容性无功功率在线路上传输也会增加电能损耗。同时电压升高还会增大电容器本身的功率损耗，使温度上升，影响电容器的寿命。对电机进行无功补偿，可以大大减少起动电流和运行电流，减少损耗，并且相关电气设备温度降低、噪音减少，可以延长电动机的使用寿命[5]。

3.2 本次设计节能装置的实施

3.2.1 Y—△转换调压控制的方案电动机 Y 一△接法转换，就是根据电动机负载变化的情况，用改变绕组接线的方式来调整绕组电压。判断电动机负载变化的参数为负载率。负载率是指电机的实际输出功率与其额定功率之比，也称负载系数，通常以百分比表示.3.1 给出了不同电机的临界负载率：Y 形接线和△形接线电机损耗相同的负载率就是临界负载率。通过绘制各台电机不同接法时的损耗与负载率的关系曲线，找出其交点，即为临界负载率的切换点。同时可用经验公式求出电机在工作下的负载率。计算电机负载率有两种方法，一种是功率法，一种是电流法。

在功率法测负载率中，首先测量电机的输入功率P1，再由公式计算出电机的输出功率P2，之后就可以求出负载率。公式如下：

P2 = P1? P0 ? PR（10）

2PR = PRN(P2 P2N)（11）

其中，P2为输出功率，P1为电机的输入功率，P0为不变损耗，额定电压时为P0N，PR可变损耗，额定运行状态下为PRN。由于在用功率法测量负载率的方法中计算比较麻烦，因此功率法较为少用。在电流法测负载率中，先测量电机的输入电流I，之后计算出电机的负载率。通过上面的论述，在知道了电机临界负载率以及通过检测电流求出实际运行时电机的负载率后，就可以通过比较来决定Y 一△的转换时刻。当电机的实际负载率大子临界负载率，即β >β k 的时候，电机接成△形接法；当实际负载率小于临界负载率，即β < β k 的时候，电机接成Y 形接法。这种方法适合于定子绕组△形连接，有6 个接线柱，且适合于长期轻载运行或重载一轻载交替运行的电动机。它既可节约电能，又可改善电网的功率因数。但是由于电机转换频繁进行容易使触点损坏，因此为了减少转换频率一般在转换点的负载率之间设置一定的回差ε，通常采用负载率β < β k 一ε 时进行△-Y转换，而当β > β k +ε，进行Y—△转换，这可以通过软件的设置进行变换。

3.2.2 无功补偿的方案确定

无功补偿的方法是多种多样的，本次设计是从提高功率因数的方面来确定是否需要进行补偿。在抽油机日常工作中，节能控制器采用功率因数控制的方式工作，根据功率因数要求确定补偿容量。首先节能控制器可以判断功率因数的符号，以确定当前系统中的负载特性为感性还是容性，并根据是否过补偿以及和期望补偿后系统功率因数值进行计算比较，从而可以确定是否投切电容。

在前面论述过，当系统负载为容性时，说明可能当前系统处于过补偿状态。如果当前电机的功率因数绝对值比期望的功率因数绝对值大，说明过补偿容量在系统允许的范围内，可以不采取任何动作；如果当前电机的功率因数绝对值比期望的功率因数绝对值小，说明过补偿容量超出系统允许的范围内，则应该切除部分电容即当前补偿的电容与系统达到理想的功率因数为1 的运行状态时相比多补偿的容量[6]。

当系统负载为感性时，说明当前可能需要进行电容补偿。如果当前功率因数值大于期望功率因数值，则不需要进行无功功率补偿；若当前功率因数小于期望功率因数时，说明需要进行无功容量补偿。如果抽油机电机的有功功率实测值为P1，补偿前的功率因数为cos? 1，补偿后的功率因数为cos? 2，则补偿容量可用下述公式计算：Qc = P1(tan?1 ? tan? 2)（14）由此可以将Qc与当前补偿电容容量计算比较，从而确定该补偿或切除的电容量。

在抽油机正常工作状态下，会遇到大量的干扰，容易造成控节能制器频繁发出补偿与切除电容的指令。因此，为了避免电容的频繁投切而产生投切震荡，可以使控制器在软件上采取连续多次计算结果取平均值的方法来避免电容的频繁投切。具体方法如下：

首先确定一个负载率的上限基础值，使得节能控制器发现负载率大于此值后执行补偿程序，若实际负载率小于此值后，则不执行补偿程序，因此可以认为这个负载率的基础值为执行补偿程序的起点；其次，在确定实际负载率大于设定值后启动补偿程序，连续进行5 至10 次的测量计算，求得的平均值作为电容投切的指令；最后，不仅要关注实际负载率大于上限设定值，而且还要关注实际负载率小于下限设定值时的情况。若实际负载率小于下限设定值时，节能控制器要检测系统是否处于过补偿状态，在这种情况下可以适当切除电容或者完全切除补偿电容，避免系统对电网的影响；另外，cos? 2的确定要适当，通常将功率因数从0.9 提高到1 所需的补偿容量与将功率因数从0.72 提高到0.9 所需的补偿容量相当。因此，在高功率因数下进行补偿其效益将显着下降。这是因为在高功率因数下，cos? 曲线的上升率变小，故而提高功率因数所需的补偿容量将要相应的增加。

通过上述两节的论述，介绍了游梁式抽油机节能装置的节能原理，并提出了Y—△转换控制和无功补偿相结合的节能方案，为接下来的硬件及软件设计做好了铺垫。结论与展望

本文围绕游梁式抽油机节能和无功补偿进行研究，对抽油机的负载特性进行了较为详细的分析，对比其它的节能及补偿方式，提出了以无功补偿为主并结合Y-△转换节能的控制策略，最后根据这个思路就可以设计出游梁式抽油机节能装置的硬件和软件。

然而，本文虽然对抽油机无功补偿技术进行了论述和研究，提出了较为合理的控制策略，但仍有一些工作需要完善：

首先，补偿方案的控制策略和技术参数还需要进一步的优化；其次，补偿装置的可靠性、稳定性和抗干扰能力还需进一步的提高；最后，补偿装置的许多功能还需进一步的完善，在现有的硬件基础上实现更多的功能。

抽油机补偿技术是一项较为实用、涉及面广、针对性强的技术，需要在今后的学习中进行更多、更深入的研究和探讨。

第五篇：国内外抽油机发展现状及其评价

国内外抽油机发展现状及其评价

抽油机-抽油杆-抽油泵(简称三抽设备)是机械采油的重要设备.据统计,我国的机械采油设备采油井占总井数的900/0,其中三抽设备占油井总数的800/0 所采产量占总产量的750/0。

美国的机械采油设备采油井占总井数的950/0，其中三抽设备占油井总数的850/0，所采产量占总产量的700/0。

随着油田开发的深入，三抽设备在采油设备中所占的分额还要继续总加。因此，三抽设备的技术水平和制造质量直接关系到油田的产量和经济效益。国内外对抽油机的研究从未间断。新的传动原理、设计方案和新的机型不断出现。

国外，以美国为代表的石油设备生产国，抽油机生产制造研究逐步向几个大公司靠拢.研究主流主要向技术统一化、生产模块化、产品系列化和标准化方向发展。新型抽油机出现较少。

我国，抽油机生产厂家众多，生产能力严重过剩。促使抽油机生产企业为提高技术含量、开发新产品而增加投入。使抽油机的研究力量不断增强，抽油机的研究成果不断涌现。主要研究方向是： 1．提高冲程，降低冲次； 2．节能抽油机； 3．自动化和智能化。一． 游梁式抽油机

1． 常规型游梁式抽油机。如图1所示。1）载荷特点。2）减速器载荷力矩特点 3）曲柄平衡力矩特点； 4）电机负荷扭矩特点； 5）优缺点； 6）国内外发展状况。2．新型游梁式抽油机

1)双驴头抽油机。如图所示。

由华北石油管理局第一石油机械厂1993年首先开发成功，目前已形成6-10型、冲程2.5~6m全系列机型。有3000余台在华北、大港、胜利、大庆等14个油区工作，国内有华北一机厂、胜利总机厂等六个厂家生产。是1993年以来应用最多的新型抽油机。

双驴头抽油机主要特点是：（参考图3）将常规游梁式抽油机连杆与游梁之间的铰链连接改成后驴头与钢丝绳的柔性连接组成变参数的四杆机构，这样可以克服刚性铰接四杆机构，游梁摆角较大时，传动角小、运动性能、动力性能变坏的缺点。实现较大摆角（大于700），减小抽油机尺寸和重量。同时，由于游梁后臂的长度是变化的。通过这种变化，使传动性能与悬点载荷的变化相适应，减小抽油机减速器上的扭矩，提高了抽油机的承载能力，降低了能耗。

缺点：采用柔性件连接使可靠度降低：更换相对复杂，造价增大。

变形双驴头抽油机 1)低矮异型抽油机 2)渐开线型抽油机 3)扇形驴头抽油机

2.增程式游梁抽油机, 1)旋转驴头增程抽油机;2)双游梁式增程抽油机;3)游梁与复合论综合增程抽油机 3.摆杆式游梁抽油机.是吉林大安石油机械厂在1998年研制成功的新型游梁式抽油机.目前,在东北各油田已有200多台的用量,受到油田的欢迎和制造厂的重视.结构和工作原理: 特点是由导杆机构和双摇杆机构串联而成.由于导杆机构的极位夹角大,具有显著的急回特性.两机构串联后,设计参数增加,便于各参数的调整和优化.该机的上冲程工作时间显著大于下冲承的工作时间,上冲程抽油机悬点的加速度明显下降,抽油机支架所受水平力有所减小,减速器上的峰值扭矩有所下降,使得该机的运动、动力性能优于现有的游梁式抽油机。缺点；导杆和曲柄之间为移动副连接，难以保证润滑。滚轮壳现场更换困难,曲柄销受力状态恶化,减速器维护困难,支架中部多里一个支点,受力复杂.增加了摆杆和两副轴承.4.游梁重块平衡前置式抽油机

是徐州市非职务发明者的专利,估计产量在50台左右.是大型抽油机中的一种可选机型.主要结构如图所示.优点:结构和常规机相同,简单可靠;平衡可靠,效果好;连杆及减速器受力减小,扭矩较平稳,能耗下降.不足:平衡块调整困难.所设计的调整系统较为复杂难以满足现场需要.原设计为水泥块平衡,体积大,易丢失;减速器维修困难.由于该机推出时的使得市场原因,现已逐步退出市场.5.曲游梁抽油机

华北石油第一机械厂开发成功的一种新型游梁抽油机,已按照API规范要求进行系列化设计,如图所示.主要特点是：游梁尾部的平衡块在上冲程过程使平衡力矩峰值前移，而在下冲程过程使平衡力矩峰值后移，使曲柄轴净扭矩曲线变得平滑，从而达到节能的效果。

优点：曲柄、连杆等构件受力减小，可靠性相对提高，程冲相对加大。上冲程终了时,游梁平衡块处于比较低的位置并且单块重量轻,便于平衡调整.曲柄平衡块的重量减轻,便于现场调整.保留了常规机的优点,是一种比较理想的节能型抽油机.6.双变径轮式抽油机

该机是胜利油田工程机械总厂最近研制开发成功的一种新型抽油机,如图所示.1)结构组成 2)特点: 优化后的结构具有较好的运动性能,动载荷小,降低了抽油杆上的载荷,改善了抽油机和抽油泵的工作条件,可靠性明显提高.减速器扭矩波动小,没有负扭矩.具有明显的节能效果.可方便的实现大冲程.完整的四连杆机构稳定性好.连杆、曲柄、减速器等受力小，提高了可靠性。充分利用游梁自重作平衡重。

适用于把原10型抽油机改造成12型，5米冲程该型抽油机。

缺点：增加了一副轴承。柔性杆的寿命有待提高。二． 无游梁式抽油机

有三种长冲程抽油机：增程游梁式抽油机，增程无游梁式抽油机和无游梁长冲程抽油机。无游梁长冲程抽油机有如下优点： 1）提高采油效率，增加产量。

2）泵径和产液量一定时可实现低冲次,大大提高抽油泵和抽油杆的寿命。

3）排量稳定、动载荷小、抽油系统事故少。4）平衡效果好，体积小，重量轻，效率高，产量大。5）使用于稠油开发。对井况适应性好。1．链条式抽油机（有待于进一步改善）2．ROTAFLEX(宽带式)抽油机 与链条式抽油机不同点：

1）使用了专用链条。2）采用大连轮结构。3）由宽带代替了钢丝绳驱动光杆。减少了换向冲击。4）整机尽量靠近井口，减少了反转力矩，增加了整机的强度和稳定性。5）采用重块平衡技术，可靠性提高。6）减速器轴上直接安装链轮，缩短了传动链长度，减少了故障。7）采用了盘式刹车等成熟技术。3．改造型链条式抽油机。

1）解放军9899工厂设计的直线抽油机 2）无换向架链条抽油机。4．滚筒式抽油机。如图所示。

1）电机换向滚筒式抽油机。总机厂生产。2）机械换向滚筒式抽油机 三． 其他形式抽油机的发展。1． 数控抽油机 2． 自动化抽油机 3． 液压抽油机 4． 连续杆抽油机 5． 车载抽油机 四． 关于抽油机理论中值得注意的几个问题 1．抽油机工作状态和负荷特性的认识。

工作状态：24小时野外连续运转，无人看守，工作环境恶劣。负荷特性：不同油层条件和不同开采方式具有不同的负荷特性。任何型号的抽油机都不是万能的。2．抽油机生产的综合费用评价。

3．关于抽油机的节能问题。电机小就节能？节能百分数不可能太大。

4．不能盲目增加游梁机的冲程长度。5．惯性轮必须和高转差率电机匹配 6．可靠性要综合评价。

7．平衡调节问题。一般调节到90%最经济。