抽油機機械式軟啟動裝置研制與應用

剪樹旭

抽油機機械式軟啟動裝置研制與應用

剪樹旭

（遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦124010）①

介紹了抽油機機械式軟啟動裝置的結構原理、技術參數及實現功能。該裝置在一定程度上解決了抽油機電動機存在著啟動電流大、運轉不平穩、耗電量大等問題。現場應用表明：該裝置改善了電機啟動性能，可采用比常規低5～15 k W的電機，同時也改善了傳動系統的軟特性。該裝置是機械裝置，不產生高次諧波污染電網，安裝簡單，工作可靠，維護容易，使用壽命長。

抽油機；軟啟動；節能

目前國內各油田提升原油的主要設備大多采用抽油機，其在使用過程中要克服抽油桿柱和液柱的重力及傳動系統的各種載荷。為了能順利啟動，需要匹配比穩定運轉所需功率大得多的電動機，但啟動完畢進入穩定運轉后所匹配的功率又遠大于所需功率，造成“大馬拉小車”［1］的狀況，為此研制出抽油機機械式軟啟動裝置。該裝置零部件少，結構緊湊，安裝調整方便，資金投入小，實現了電機的小電流啟動，具有運轉平穩，節電并可明顯改善電網運行質量［2］；也實現了對電機和皮帶過載保護的功能，防止電機和皮帶被燒損［3］。

1　結構及原理

1.1結構

抽油機機械式軟啟動裝置的結構如圖1所示。

圖1　抽油機機械式軟啟動裝置結構

1.2原理

1.2.1技術分析

該裝置力傳導媒介為鋼球，將其置于皮帶輪右端的殼體與鑄造葉輪所形成的6個空間內。

鋼球所受離心力［4］為

式中：m 為鋼球質量，kg；n 為電機軸轉速，r／min；r為鋼球體離心運動半徑，m。

鋼球與殼體內圓柱面間摩擦轉矩［4］為

式中：f為鋼球與殼體內圓柱面間摩擦因數；R為殼體內圓柱面的半徑。

由摩擦轉矩公式可知，裝置皮帶輪所傳遞的摩擦轉矩T與殼體內圓柱面的半徑R及鋼球的質量m成一次方正比，與電機軸轉速n成二次方正比。因此，在電機轉速和裝置外形尺寸確定的情況下，可通過充填不同數量的鋼球產生不同的轉矩來適應抽油機各種工作制度。同樣也可設計殼體內圓柱面的不同半徑尺寸產生不同的轉矩來適應抽油機各種工作制度。

1.2.2工作原理

將直徑為1～5 mm的鉻鋼鋼球置于皮帶輪右端的殼體與鑄造葉輪所形成的6個空間內，并按比例加入定量的丹粉以增加鋼球間的摩阻，鑄造葉輪與電機主軸為過盈配合連接，通過鍵傳遞電機主軸的動力，電機主軸與鑄造葉輪同步進行旋轉。鑄造葉輪推動6個空間內鋼球進行旋轉，鋼球可自身無序滾動并與皮帶輪右端的殼體內圓柱面產生滑動，此時摩擦轉矩為滑動摩擦轉矩。因此電機軸所需功率僅用于克服滑動摩擦轉矩，此轉矩值較小，電動機近似于空載啟動。隨著電機軸轉速增高，鋼球所受離心力亦隨之增加，此離心力導致鋼球與殼體內圓柱面間摩擦轉矩亦隨之增大，殼體與鑄造葉輪以鋼球為力傳導媒介，轉速逐漸趨于一致，最終葉輪與殼體之間不存在轉速差，為同步運行狀態［4］。從啟動到皮帶輪與電動機主軸達到同步轉速所需時間一般不超過數秒，皮帶輪是平緩的等加速啟動，實現了電動機的軟啟動。當鋼球與殼體內圓柱面間摩擦轉矩小于抽油機負荷所產生的阻力矩時，鋼球與殼體內圓柱面重新處于滑動狀態，防止皮帶、電動機的燒損，實現了抽油機的過載保護［5-6］。

主要技術參數［7］如表1。

表1　主要技術參數

2　實現功能

1）具有空載啟動的功能。電動機啟動時，皮帶輪右端殼體內圓柱面與鋼球處于滑動狀態，電機主軸空轉，隨著電機軸轉速提高，裝置上的皮帶輪可實現與電機主軸速度的同步。

2）具有過載保護的功能。當鋼球與殼體內圓柱面間摩擦轉矩小于抽油機負荷所產生的阻力矩時，鋼球與殼體內圓柱面重新處于滑動狀態，限制了電機功率的增加，防止電機因堵轉而導致的燒損。同時在此滑動狀態下，亦可有效地防止皮帶與皮帶輪的打滑，防止皮帶的燒損。

3）具有調節傳遞功率的功能。在不超過電機堵轉轉矩的前提下，通過放置不同數量的鋼球以產生不同的轉矩來適應抽油機的各種工作制度。

4）具有柔性緩沖及減振的功能。鋼球相互間的彈性運動可吸收傳動系統的振動，降低對整個系統的剛性沖擊，起到柔性緩沖的作用，這一功能可有效延長抽油機系統的使用壽命。

5）具有降低能耗的功能。由于實現了電機的空載啟動，啟動電流微弱，因而可采用比常規低5～15 kW 的電機。在設備正常運轉時，該裝置可以削弱峰值電流3～5 A。抽油機所用電動機功率一般為實際運行功率的2.5倍左右，使用該裝置后可將電動機功率降為實際運行時所需功率的1.3～1.5倍，可達到節能的目的。

6）具有改善電網的功能。該裝置為機械裝置，不產生高次諧波，因而不會對電網產生污染，同其他節電裝置相比更加安全可靠。

7）具有安裝簡單、工作可靠、維護容易、投資少、使用壽命長的特點。單人即可進行裝置的拆裝工作。

3　現場應用

試驗井為遼河油田高采采油一區的2455C2生產井，根據該井具體工況，并出于節約成本的考慮，現場采用的是45 k W電機，造成啟動困難且運轉時皮帶易打滑，尤其是雨天，電機基本不運轉。2012-08-06，安裝了機械式軟啟動裝置，選用37 k W電機，成功運轉1 a，該井后改撈油。裝置運行期間取得的試驗數據［8］如表2。

表2　機械式軟啟動裝置在2455C2井的試驗數據

4　結論

1）研制的機械式軟啟動裝置較好地解決了抽油機電動機“大馬拉小車”的狀況。

2）該裝置改善了電動機啟動工況，啟動電流可下降1／2～2／3，節電率10%～24%。

3）該裝置可采用比常規低5～15 kW 的電動機，因而可使設備投入減少。

4）現場施工工藝簡單，為安全環保節能產品，具有較好的推廣前景。

［1］王釗，秦英，李權，等.抽油機節能電機的應用分析［J］.石油礦場機械，2007，36（8）：58-61.

［2］金峰.抽油機加裝超越離合器實現節能［J］.石油機械，1998，26（6）：34-36.

［3］程學碧，應華素.節能安全聯軸器在抽油機上的應用［J］.石油機械，2007，35（9）：17-20.

［4］田興凱.提高氧化鋁回轉窯運轉周期技術研究［D］.濟南：山東大學，2006.

［5］成大先.機械設計手冊：第2卷［K］.北京：化學工業出版社，2012.

［6］成大先.機械設計手冊：第3卷［K］.北京：化學工業出版社，2012

［7］JB／T 5987—1992，鋼球式節能安全聯軸器［S］.

［8］阮晶琦，梁宏寶，鄭應偉.不同工況下抽油機能耗規律研究［J］.石油礦場機械，2014，43（7）：8-12.

Development and Application of Mechanical Soft Start Device for Pumping Unit

JIAN Shuxu
（Drilling Technology Research Institute，Liaohe Oilfield Branch，Panjin 124010，China ）

The structure principle of mechanical soft start device，technical parameters and realize the function are introduced，the device solved the problems to a certain extent，which exist in pump motor，such as high motor start current and unsmooth run，which are large power consumption.Field application shows that the device improves the motor startup performance，about 5～15 k W less than previous motor，and the soft characteristics in the transmission is improved.The device is a mechanical device，no higher harmonic pollution in power grid produce；easy installation，reliable operation，easy maintenance，and long service life.

pumping unit；soft start；energy saving

TE933.1

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.023

1001-3482（2015）10-0092-03