游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)在河南油田的應(yīng)用分析

1、收稿日期2010206212 作者簡介蔣仕民(19592,男,1981年重慶石油學(xué)校畢業(yè),2003年江漢石油學(xué)院畢業(yè),機械工程師,現(xiàn)主要從事安全管理及機械管理工作。游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)在河南油田的應(yīng)用分析蔣仕民 (中石化河南油田分公司第一采油廠,河南桐柏474780摘要目前應(yīng)用于油田游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)有:游梁曲柄復(fù)合平衡改造、超越離合器動態(tài)平衡技術(shù)、游梁式抽油機二次減速、永磁同步電機技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、配備低速電動機等。經(jīng)對各方法在應(yīng)用現(xiàn)場的適用性研究分析后認(rèn)為,針對不同工況的游梁式抽油機都有較好的方法與之相適用。對一些系統(tǒng)效率較低的油井,運用游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)是降低采油成本、提高油田

2、開發(fā)效益的一條重要途徑。關(guān)鍵詞游梁式抽油機;節(jié)能技術(shù);應(yīng)用;分析目前,油田的生產(chǎn)井中約有90%使用游梁式抽油機。游梁式抽油機從其誕生到現(xiàn)在近200年中,無論是國內(nèi)油田還是國外油田,都在人工舉升采油設(shè)備方面占有絕對主力地位。其具有結(jié)構(gòu)簡單、皮實耐用的優(yōu)點,這也是其長盛不衰的主要原因。但能耗高是它最大的缺點,它是油田的耗電大戶,其用電量約占油田總用電量的40%。針對河南油田游梁式抽油機現(xiàn)場使用中存在的問題,結(jié)合抽油機工作原理,對其高耗電的原因加以分析,應(yīng)用了游梁曲柄復(fù)合平衡改造、超越離合器動態(tài)平衡技術(shù)、游梁式抽油機二次減速、永磁同步電機技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、配備低速電動機等各種游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)1

3、3。通過對各項技術(shù)的應(yīng)用分析,對不同工況的游梁式抽油機都有較好的方法與之相適用。1 后置式異相游梁曲柄復(fù)合平衡技術(shù)通過在游梁的尾部安裝平衡節(jié)能裝置,可以有效改變游梁式抽油機平衡相位,使得井下載荷峰值扭矩與游梁式抽油機平衡峰值扭矩能夠相對同步產(chǎn)生,從而達(dá)到消除電流峰值、實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。該裝置與游梁聯(lián)接方式類似或等同于驢頭與游梁四插銷聯(lián)接方式,安裝方便。通過加裝該裝置,游梁式抽油機的懸點載荷明顯下降,河南油田第一采油廠改造的8臺游梁式抽油機的平均平衡度由7613%上升到9818%。連桿受力降低,減速器扭矩由73kN #m 降至53kN #m 左右,與10型機相當(dāng)。經(jīng)河南油田節(jié)能檢測中心檢測,平

4、均系統(tǒng)效率由2313%上升到2715%,平均單耗下降1812%。且改造后的游梁式抽油機運行平穩(wěn)、噪音明顯降低。該裝置具有一定的使用局限性:選用的游梁式抽油機沖次不高于5次,因為當(dāng)沖次>5次時,游梁最大平衡力矩N 平max 位置很難和光桿負(fù)荷產(chǎn)生的最大扭矩N 井max 同時出現(xiàn),節(jié)能效果不佳;另外,不選擇玻桿井,因為玻桿的彈性模量為鋼桿的1/4,玻桿井的峰值載荷扭矩沒有規(guī)律可尋。改造時應(yīng)優(yōu)選系統(tǒng)效率較低、能耗大及常規(guī)的調(diào)平衡方式已無法實現(xiàn)負(fù)荷有效平衡的游梁式抽油機(4塊平衡塊配重已調(diào)到頭、平衡率不到70%。2 超越離合器動態(tài)平衡技術(shù)超越離合器是一種只能單方向傳輸動力的機械機構(gòu)。它在工程機械

5、的傳動系統(tǒng)中起開關(guān)作用,正常情況下保持傳動狀態(tài),當(dāng)由于某種原因造成從動軸轉(zhuǎn)速超過主傳動軸時,超越離合器就使主、從動軸及#394#石油天然氣學(xué)報(江漢石油學(xué)院學(xué)報 2010年8月 第32卷 第4期Jour na l of Oil a nd Gas Technology (J 1JPI Aug12010 Vol 132 No 14時脫開,從而保證主、從動軸能夠一直單向傳動力矩。由于游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)限制,存在游梁式抽油機反拖電機發(fā)電的問題,所發(fā)出來的電消耗在電網(wǎng)線路中,不能有效再利用,造成電能浪費。加裝超越離合器后,在曲柄旋轉(zhuǎn)一周過程中,如果現(xiàn)負(fù)扭矩,離合器的棘輪脫開,游梁式抽油機不再反拖電機發(fā)電

6、。由于去掉了電機的阻尼牽制,其運行速度將加快,能量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的動能。出現(xiàn)正扭矩時,其運行速度將變慢,儲存的動能重新被利用。如此周而復(fù)始,避免了電機發(fā)電,消除了負(fù)功,提高了電機和皮帶傳動的效率,最終可達(dá)到節(jié)電和增產(chǎn)的目的。應(yīng)用中存在的問題有:由于超越離合器在游梁式抽油機井上的應(yīng)用還不很普及,有些理論和實踐問題沒有解決。例如,加裝超越離合器對桿柱受力及疲勞壽命的影響,有偏磨現(xiàn)象的油井是否會加重偏磨,稠油井上能否使用等,還需要進(jìn)行深入的理論和應(yīng)用研究。應(yīng)用超越離合器的選井條件是:下泵深度小于1800m,地面脫氣原油粘度小于1000mP #s,采用10型及12型處于最佳平衡狀態(tài)的曲柄平衡游梁式抽油機。

7、3 游梁式抽油機二次減速技術(shù)具體做法是:在游梁式抽油機電動機和減速器之間加裝一根中間傳動軸,增加一級皮帶傳動。減速裝置由殼體、主軸、油封端蓋、軸承及主從動帶輪構(gòu)成,主動帶輪和電機用窄V 帶相連,從動輪和游梁式抽油機大皮帶輪相連,減速器安裝在電機和減速箱之間,軸承采用圓錐滾子軸承,以承受可能引起的軸向力。通過減速器兩端皮帶輪的直徑不同,而實現(xiàn)傳動比的改變。沖次根據(jù)井場安裝電機及電機皮帶輪測算。根據(jù)不同井況,可實現(xiàn)015次/min 至410次/min 不同沖次的需要。2004年以來,河南油田第一采油廠已經(jīng)在89臺游梁式抽油機上應(yīng)用了此技術(shù),取得了良好效果。應(yīng)用中存在的問題是:減速比不可調(diào),當(dāng)生產(chǎn)需

8、要對游梁式抽油機的沖次進(jìn)行調(diào)整時,二次減速裝置的帶輪也要隨之更換。適用工況:該裝置適合于沖次在4次/min 以下,但依靠在電動機上縮小皮帶輪的直徑已無法實現(xiàn)的設(shè)備(因電動機輸出軸的直徑、皮帶輪外徑、皮帶輪槽深的限制。4 永磁同步電機技術(shù)永磁同步電機與異步電機同樣由定子與轉(zhuǎn)子兩部分組成,只是在轉(zhuǎn)子鼠籠條內(nèi)嵌入稀土永磁鋼,改變了原來靠定子邊勵磁為轉(zhuǎn)子邊稀土永磁鋼勵磁,變異步電機為同步電機。因此定子邊勵磁電流大量減少,轉(zhuǎn)子邊的銅、鐵損耗亦大量減少大幅提高了功率因數(shù)與效率,降低了電機的溫升與配電設(shè)備的容量。永磁同步電機外形結(jié)構(gòu)和安裝尺寸與Y 系列電機完全相同,現(xiàn)場換用非常方便。該游梁式抽油機專用永磁同

9、步電動機有如下特點:¹運行效率高;º功率因數(shù)高;»起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、裝機功率低;¼節(jié)省補償電容;½提高電網(wǎng)的利用率。應(yīng)用中存在的問題:永磁同步電機的機械特性較普通Y 型電動機的機械特性硬,啟動時對管、桿有一定的沖擊。應(yīng)用初期由于一味追求降低裝機功率,配置的永磁電機比原Y 型電動機小23個級別,易導(dǎo)致電動機過載,造成部分永磁電機退磁及損壞。解決辦法:最好不在井斜、偏磨較大的井上使用,避免設(shè)備啟動時因其較硬機械特性造成對管、桿的沖擊,加速管、桿的斷脫。2004年以后,根據(jù)工況計算所配永磁電機的功率,一般比原普通電動機小12個級別,杜絕了永磁電

10、動機過載現(xiàn)象,保持了長時間的節(jié)電效果。5 變頻調(diào)速技術(shù)在電機上加裝微電腦程序控制系統(tǒng)的變頻控制柜,可使電機與游梁式抽油機的工作特性充分結(jié)合。它利用上、下行程自動識別功能,自動分別調(diào)整上行程和下行程的速度,并且根據(jù)需要可無級調(diào)整電機#395#第32卷第4期蔣仕民:游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)在河南油田的應(yīng)用分析的頻率轉(zhuǎn)速來增減游梁式抽油機沖次,使其始終保持抽汲平衡、增加泵效,工作在最佳狀態(tài)。具體有如下優(yōu)點:¹采用變頻調(diào)速控制,電機的功率因數(shù)可提高到0198以上,從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān),降低了線損;º采用變頻調(diào)速控制,可根據(jù)油井的實際供液能力,動態(tài)調(diào)整抽汲速度,既節(jié)約電能,又增加

11、原油產(chǎn)量。例如對低產(chǎn)能井可以任意降低沖次,減少泵的空行程,提高泵效;»真正實現(xiàn)了軟啟動,對電網(wǎng)無沖擊。變頻調(diào)速減少了的空行程,減少了各機械部件的沖擊及磨損,延長了設(shè)備使用壽命。游梁式抽油機上采用變頻調(diào)速技術(shù)主要的缺點:一是一次性投入較大,一套變頻調(diào)速裝置的價格在6萬元左右;二是由于油田的惡劣環(huán)境,導(dǎo)致現(xiàn)場管理難度較大。6 低速電機的應(yīng)用河南油田第一采油廠共應(yīng)用12級和16級電機共59臺,使用低速電機同樣可以降低游梁式抽油機沖次,達(dá)到調(diào)整抽汲速度,減少泵的空行程的目的。配備低速電機主要有兩種方法:一是新游梁式抽油機直接配備低轉(zhuǎn)速的電機。這種方法適合新投產(chǎn)的游梁式抽油機,而對于老游梁式抽

12、油機來說成本較高。二是對在用游梁式抽油機的電機進(jìn)行改造。在頻率f 不變的情況下,改變異步電機的磁極對數(shù)P,可以改變其同步轉(zhuǎn)速n(n =60f /P,從而使電機在某一負(fù)荷下的穩(wěn)定速度發(fā)生變化。要降低其轉(zhuǎn)速,就要增加電機的磁極對數(shù)。改造的方法是分別把6級和8級電機的定子線圈重新繞制成12級和16級的電機,其同步轉(zhuǎn)速就從原來的1000r /min 和750r/min 分別變?yōu)?00r/min 和375r /min 。這樣,游梁式抽油機最低沖次就能降到原來的一半。改造一臺的費用在6000元左右。7 各種節(jié)能技術(shù)的對比目前游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)不僅上述幾種,但通過對上述6種游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)

13、用,找出了常規(guī)游梁式抽油機的一些主要節(jié)能途徑,同時獲得了各種游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)方面的一系列認(rèn)識,技術(shù)對比如表1所示。表1 6種游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)的比較名稱節(jié)能效果適用工況單套投資/萬元缺點游梁曲柄復(fù)合平衡節(jié)電18%無法調(diào)平衡的井315不適應(yīng)高沖次井超越離合器節(jié)電12%,單井日增油013t 平衡狀態(tài)較佳的井2不適應(yīng)于斜井斜、偏磨較大井二次減速節(jié)電26%,延長油井免修期及設(shè)備使用壽命需降低到4沖次以下井015不適應(yīng)于頻繁調(diào)沖井永磁同步電機節(jié)電20%,減緩用電負(fù)荷增長、增加電網(wǎng)容量生產(chǎn)參數(shù)變化不大的井2不適應(yīng)于斜井、偏磨大井變頻調(diào)速節(jié)電19%,延長油井免修期及設(shè)備使用壽命需經(jīng)常調(diào)整沖次的井6投資高,管理難度大低速電動機節(jié)電20%,延長油井免修期及設(shè)備使用壽命需降低沖次的井2不適應(yīng)于頻繁調(diào)沖井上述6種節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用范圍不是絕對的。實際生產(chǎn)中采取哪種節(jié)能技術(shù)需要根據(jù)游梁式抽油機的現(xiàn)場環(huán)境及具體工況進(jìn)行分析,確定最佳的節(jié)能方案。并且,上述幾種技術(shù)也可以