游梁式抽油机节能机理综述

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目前抽油机的电动机主要从三个方面实现节 能：其一，人为地改变电动机的机械特性，主要是 改变电源频率，以实现与负荷特性的柔性配合；其 二，从设计上改变电动机的机械特性（如高转差率 电动机和超高转差率电动机） ，从而改善电动机与 抽油机的配合；其三，提高电动机的负荷率和功率 因数。已经成功研制了超高转差率电动机、电磁滑 差电动机、稀土永磁同步电动机、变频调速电动 机、双功率电动机、绕线式异步电动机、电动机调 压装置和抽油机蓄能调压节能装置等。 （!）双功率电动机 石油大学与胜利油田合 作进行了双功率电动机试验，其定子绕组是两个可 以并联运行的绕组。比如原来 #*+, 的电动机，现 将其定子绕组设计成一个为 ""+,，一个为 !-+,。 电控箱中有一个电流检测电路，能够实现绕组的自 动切换。启动时两个绕组分时投入（时差约 ’.-/） ， 总的 启 动 电 流 减 小。当 负 荷 率 低 于 0’( 时， 以 ""+, 的 绕 组 运 行； 当 负 荷 率 低 于 $’( 时， 以 !-+, 的绕组运行。如果抽汲工况发生变化，负荷 较大时，两个绕组都投入。这样，电动机在各种情
" 蓄能器飞轮的转动惯量为 !’+1 ・ ； !’ 型抽油机蓄 2 " 能器飞轮的转动惯量为 !$+1 ・ 2。 ［#］ 可控硅调压是根据电动 （#）调压节能装置
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! % 电动机节能原理 如果电动机运行在额定负荷附近，则电动机属 于经济运行。实际上，抽油机的电动机多数以轻 载，即“大马拉小车”的工况运行。目前我国有近 & 万 台 抽 油 机 井，电 动 机 平 均 负 荷 率 为 "’( ) #’( ，部分电动机负荷率更低，造成能源的极大浪 费。对于抽油机的电动机，节能的关键是提高其负 荷率
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!专题综述"
游梁式抽油机节能机理综述
苏德胜
摘要
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刘先刚
吕卫祥
丁建林
刘
苏
邱晓峰
任永林
（江苏油田分公司石油工程技术研究院）
游梁式抽油机结构简单、可靠性高、使用维护方便、适应现场工况，在今后相当长的
时间内仍将是油田的首选设备，但工作效率低，能耗大。!"#$ 年第一台异相曲柄平衡游梁式抽油 机应用以来，随着双驴头节能型抽油机的问世，以及蓄能器、双功率电动机的研制成功，基本解 决了“大马拉小车”的问题。最新发展的节能电动机、双驴头抽油机、偏轮游梁抽油机、游梁偏 置复合平衡抽油机、悬重偏置游梁复合平衡抽油机、摆杆式游梁抽油机等节能抽油机在矿场应用 后，节电率一般达到 !$% & ’(% 。全国约有 # 万台抽油机，若能全部推广应用这些技术，必将节 约大量的电能，创造出巨大的经济效益。 主题词 游梁式抽油机 节能 机理 综述 平衡装置和传动元件。提高这些子系统的效率就是
前
言
寻找节能途径的“突破口” ，不同节能机理的产生 也缘于此。
常规游梁式抽油机（简称常规机）具有结构简 单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、 适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重 的地位。在今后相当长的时间内仍是油田的首选采 油设备。但是由于常规机本身的结构特征，决定了 它平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、 载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。在采油成 本中，抽油机电费占 ’(% 左右，年耗电量占油田 总耗 电 量 的 )(% & ’(% ，为 油 田 电 耗 的 第 二 位， 仅次于注水。自从 !"#$ 年第一台异相曲柄平衡游 梁抽油机（简称异相机）应用以来，国内各大油田 开始重视抽油机的节能工作。 !""! 年双驴头节能 型抽油机的问世，开创了游梁式抽油机（简称游梁 机）节能应用研究工作的新局面，不断涌现出各种 各样的新型节能抽油机。 游梁机的节能潜力在哪里呢？按消耗大部分能 量的要素，可以把抽油机这个系统分成以下几个子 系统：电动机及控制装置、四连杆机构、悬点载荷 抽油机的悬点载荷状况是影响抽油机能耗的主 要因素。人们普遍认为，游梁机工作效率不高的主 要原因是其载荷特性与所用普通三相异步电动机的
# 苏德胜，高级工程师，生于 !"+! 年，!"#’ 年毕业于江汉石油学院石油矿场机械专业，现从事石油机械产品研究与开发工作。地址： （))$(("）江苏省扬州市。电话： （($!*）,,+(*()。
（收稿日期：)((( - !! - ),；修改稿收到日期：)((! - (’ - !"）
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况下都有较高的负荷率，运行效率和功率因数都有 较大的提高，原有电动机的改造成本也低。缺点是 不能 解 决 系 统 的 配 合 问 题，起 不 到 系 统 节 能 的 作用。 （"）蓄能器 蓄能器用来增加抽油机的转动 惯量，充分发挥其动能的均衡作用，降低电动机承 受扭矩的波动量。抽油机启动前，使离合器分离， 启动电动机，带动飞轮旋转，飞轮随电动机达到额 定转速，将能量储存起来；松开离合器手柄，使离 合器接合，飞轮储存的能量在转速降低时释放出 来，启动抽油机。抽油机进入正常工作的能量循环 周期后，若电动机驱动力大于抽油机工作阻力，飞 轮转速上升时就将多余能量储存起来；相反，抽油 机工作阻力大于电动机驱动力，飞轮转速降低时， 将动能转化为驱动力与电动机驱动力合力输出。显 然，只要电动机的额定功率等于或大于抽油机的平 均消耗功率，抽油机就能平稳工作，因而可显著降 低电动机容量，实现节能降耗。 江苏油田在现场试验中发现，额定功率 !- +, 的超高转差率电动机配上蓄能器后，启动能力与 #*+, 电动机相当。应注意蓄能器飞轮转动惯量大 小要合适，转动惯量过大增加耗电，过小起不到动 能均衡的作用。据有关资料介绍，配 & 型抽油机的
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节能的评价指标为： （!）抽油机本身动力性能所决定的光杆载荷， 即光杆示功图； （"）由平衡性能所决定的曲柄轴净扭矩，它集 中表现了抽油机的平衡性能和动力性能； （#）抽油机电动机的拖动特性、负荷率等； （$）功率因数补偿、变频、调压等电控技术水 平。 因此改变或调整载荷扭矩曲线和平衡扭矩曲线 的形状和相位差，减小净扭矩曲线的波动变化幅度 和上下峰值，消除负扭矩，减小抽油机的周期载荷 系数，提高电动机的负荷率及工作效率，应用变频 调速技术等，均可达到节能之目的。
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苏德胜等：游梁式抽油机节能机理综述
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动机本身考虑，就是提高电动机负荷率，从而提高 功率因数和运行效率。而提高电动机效率的潜力不 大，能提高几个百分点就很不容易，而且是以提高 电动机成本为代价的。因此，如果负荷率高于临界 负荷率（使效率将要快速下降点所对应的负荷率） ， 只要并联适当的补偿电容器就能达到节能之目的。 二是从系统考虑，就是在改变电动机的机械特性基 础上， “下大泵、降冲次、增杆管径比、减摩阻” ， 使机 ! 杆 ! 泵系统达到较好的配合，提高系统效 率。两者比较，后者的节能潜力比前者大得多，是 游梁式抽油机用电动机节能的主要研究方向。 "# 变“参数”四杆机构实现变矩节能 运用变矩节能原理的典型机型就是双驴头抽油 机。这种抽油机结构以游梁机为基础，采用变径圆 弧形游梁后臂，得到摇杆（游梁后臂）长度、连杆 长度随曲柄转角的变化而变化的独特的四连杆机 构，即变“参数”四杆机构。利用变矩节能原理开 创了新型节能抽油机的先河，为在游梁和横梁之间 全面采用柔性连接等结构，研究新型节能抽油机奠 定了基础。 双驴头抽油机在工作时，游梁后臂与悬点载荷 变化相适应。依靠游梁后臂有效长度的有规律变化 实现悬点载荷大（下冲程结束、上冲程开始）时游 梁后臂长，悬点载荷小（上冲程结束、下冲程开 始）时游梁后臂短，使光杆载荷扭矩的变化接近正 弦规律，与按正弦规律变化的曲柄平衡扭矩相对 应，使曲 柄 净 扭 矩 波 动 较 小， 达 到 节 能 降 耗 的 目的。 "$ 世纪 %$ 年代开发出的各式各样的节能抽油 机中，偏轮游梁抽油机、游梁偏置复合平衡抽油 机、悬重偏置游梁复合平衡抽油机等都是在变矩节 能原理的基础上发展起来的。双驴头系列抽油机的 技术先进性、结构合理性和高效节能性仍然居于节 能抽油机的发展前列。 &# 改变游梁机的结构型式实现节能 ［(］ （’）杆件设计优化实现“慢提快放” 最典 型的做法就是对四连杆机构实现悬点运动和动力特 性的优化，改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和 大小，使其波动平坦，减小负扭矩，从而减小抽油 机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到 节能之目的。 抽油机工作时曲柄净扭矩的波动变化，主要是 由悬点加速度变化引起的。由游梁机的悬点加速度 曲线可推断出，光杆载荷扭矩曲线的上峰值出现在
上冲程的前半段，而下峰值出现在下冲程的后半 段。通过改变抽油机杆件的配比，使运动规律发生 变化，以减少载荷扭矩曲线的上下峰值差。"$ 世 纪 )$ 年代发展起来的异相机，就是采用非对称循 环机构，使游梁在上下死点时，连杆两个位置之间 存在约 ’"*的相位夹角。曲柄上冲程的转角增加 ’"* 为 ’%"*；曲柄下冲程的转角减少 ’"*，为 ’+)*。这 种机构具有“急回特性” ：一是上冲程的曲柄转角 大于下冲程的曲柄转角，使上冲程时间长，速度 慢，加速度就小，从而使上冲程中载荷扭矩曲线的 上峰值减小；同时也相应地缩短了下冲程的运行时 间，增大下冲程后半段的加速度变化幅度，从而使 载荷扭矩曲线的上峰值增大；二是改变了载荷扭矩 曲线的形状，使其波形尽量向正弦波靠近。 （"）偏轮游梁抽油机 与常规机相比，偏轮机 结构主要有三点不同： ! 在游梁尾部装有一个偏 轮；"在偏轮与游梁中心支架之间增设推杆；#在 游梁尾部、横梁、推杆与偏轮之间用轴承连接。它 打破常规机四连杆机构框架，以游梁尾部的偏轮为 中心，形成一独特的六连杆体系，被誉为“国内首 创、国际先进水平”的机型。偏轮机杆件均为刚性 连接，保持了常规机的特点，节能 ’,- . &$- 。 偏轮机利用了变矩节能原理。当曲柄旋转时， 依次带动连杆、横梁、偏轮和游梁运动。偏轮相对 游梁摆动，摆动规律由推杆确定。正是由于偏轮摆 动的作用，使游梁后臂的有效长度和游梁摆动的角 速度均随着曲柄转角的变化而变化，游梁后臂的变 化规律与悬点载荷的变化规律基本一致，接近正弦 规律且与曲柄平衡扭矩相对应，从而使曲柄轴净扭 矩波动较小。 偏轮机利用“慢提快放”的节能机理。偏轮机 的极位角可达到 ’,*，改变了抽油机的运动和动力 特性，速度、加速度、扭矩因数等均比异相机小 ’$- . (,- 。另外，常规机游梁摆角达 到 ,%* 时， 减速器的输出扭矩就会变得很不合理，但偏轮机由 于偏轮和推杆的调节作用，游梁摆角最大可达到 /(*，改善了整机的受力状况，使减速器输出扭矩 变得平缓，这是该机型节能的另一个主要原因。 ( 0 改变平衡方式实现节能 ［"］ （’）异相曲柄平衡 它是指曲柄平衡块重心 与曲柄轴中心连线和曲柄销中心与曲柄轴中心连线 之间构成一定的夹角!，称为平衡相位角。这种抽 油机的曲柄均顺时针旋转，因此曲柄平衡重总是滞 后一个相位角!。
［!］ 工作特性不匹配 。众所周知，供给抽油机举升液
抽油机节能的评价指标
体的能量主要消耗在三个方面：一是举升液体所做 的有效功；二是克服摩擦阻力所做的功；三是消耗 于热损失的功。普通异步电动机具有硬外特性，适 宜拖动均匀载荷。游梁机的净扭矩曲线周期性变化 规律，就是异步电动机负荷的变化规律；电动机工 作时，总的热损失是电流和功率波动量的函数，而 这种波动量又与抽油机扭矩的变化成正比。在其它 条件不变时，抽油机扭矩变化越平稳，则电流均方 根值就越接近电流平均值，消耗于热损失的功就越 小，抽油机的能量损失就越小，工作能耗也就越 低，抽油机的地面效率就越高。因此，抽油机是否
机的负荷率的变化不断调节电动机的输入端电压 （不调速） ，使电动机运行在最佳状态。 异步电动机为感性负载，它从电网中吸收一定 数量的无功功率来维持主磁通和定、转子漏磁通来 运行。在额定电压下轻载运行时的铁损和机械损 耗，与额定负荷时相差极小，在总损耗中占的比例 较大，因此运行效率较低。此时若降低输入电压， 异步电动机的反电动势和主磁通均减少，激磁电流 中的磁化电流随着铁芯饱和程度的下降而降低。负 荷电流下降，而铁耗与输入端电压的平方成正比， 铜损与磁化电流的平方成正比。抽油机运行时，电 动机的输入电压随着抽油机井的载荷变化自行调 节，即载荷小时电动机的输入电压下降，载荷大时 电动机的输入电压升高。因此，降低输入电压，减 少了电动机的损耗，提高了电动机的运行效率，同 样能达到节能的目的。调压节能装置的节电率在 !-( 左右，节电率与负荷率成反比。 今后抽油机的电动机节能研究方向：一是从电